一種相控陣聲納系統(tǒng)換能器稀疏面陣優(yōu)化方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種相控陣聲納系統(tǒng)換能器稀疏面陣優(yōu)化方法，包括如下步驟:(1)初始化步驟、(2)模擬退火優(yōu)化步驟、(3)教與學(xué)優(yōu)化步驟和(4)終止步驟。本發(fā)明以陣列的主瓣寬度和旁瓣峰值等空間響應(yīng)性能為約束條件，求解使稀疏面陣滿足空間響應(yīng)性能所需激活的最小換能器數(shù)目。本發(fā)明利用改進(jìn)教與學(xué)優(yōu)化算法對(duì)模擬退火算法所得可行解進(jìn)行二次優(yōu)化，具有更好的收斂速度和收斂精度，可獲得全局最優(yōu)解，利用盡量少的換能器工作，獲得換能器面陣所需的空間響應(yīng)性能，能夠很好的降低相控陣成像聲納系統(tǒng)所需的硬件成本。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種相控陣聲納系統(tǒng)換能器稀疏面陣優(yōu)化方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于相控陣成像聲納波束形成【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種相控陣聲納系統(tǒng)換能器稀疏面陣優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]相控陣三維前視聲納系統(tǒng)是近幾年發(fā)展起來(lái)的水下應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一個(gè)單頻聲脈沖透射整個(gè)觀察場(chǎng)景，運(yùn)用相控陣技術(shù)同時(shí)產(chǎn)生上萬(wàn)個(gè)實(shí)時(shí)波束強(qiáng)度信號(hào)，經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)信號(hào)處理得到一幅三維場(chǎng)景的圖像。現(xiàn)代高分辨率相控陣聲納系統(tǒng)為獲得較小主波束寬度，要求換能器陣列具有較長(zhǎng)的幾何尺寸。同時(shí)，為了阻止柵瓣的出現(xiàn)，陣元間距(換能器與換能器之間的距離)不得大于半波長(zhǎng)，因此，高分辨率相控陣三維成像系統(tǒng)往往由幾千個(gè)半波長(zhǎng)間距換能器組成二維面陣，硬件成本極高。
[0003]聲納系統(tǒng)發(fā)射出的聲波在遇到障礙物后反射產(chǎn)生的回波作用在接收換能器面陣上時(shí)，可根據(jù)換能器面陣接收到的聲壓幅值響應(yīng)確定回波方向。換能器的聲壓幅值隨著回波方向的變化會(huì)出現(xiàn)一個(gè)主瓣和若干個(gè)旁瓣，主瓣的峰值為最大值，旁瓣的峰值為聲壓幅度極大值。主瓣中聲壓強(qiáng)度最小值所對(duì)應(yīng)的回波角度稱(chēng)為主波束寬度，旁瓣中峰值最大的聲壓幅值稱(chēng)為最大旁瓣峰值。在相控陣聲納系統(tǒng)中，降低最大旁瓣峰值和減小主波束寬度都有利于提聞聲納系統(tǒng)定位精度，提聞成像清晰度。
[0004]換能器稀疏面陣優(yōu)化是指對(duì)聲納系統(tǒng)中換能器接收到的聲場(chǎng)回波進(jìn)行幅度調(diào)制，只讓面陣中的部分換能器工作，獲得成像聲納系統(tǒng)所要求的最大旁瓣峰值和最大主波束寬度。系統(tǒng)中不工作的換能器數(shù)目與全部換能器數(shù)目之比稱(chēng)為稀疏率，稀疏率越高表明聲納系統(tǒng)中工作的換能器數(shù)目越少。引入換能器稀疏面陣優(yōu)化技術(shù)可以使系統(tǒng)在保持原有波束特性的情況下，減少所需激活的換能器數(shù)目，大大降低相控陣聲納系統(tǒng)硬件成本。
[0005]模擬退火算法是一種用于解決多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的隨機(jī)方法，算法以一定概率接收搜索過(guò)程中獲得的差解，具有良好的全局搜索能力。模擬退火算法接受準(zhǔn)則表達(dá)式如下:
[0006]
【權(quán)利要求】
1.一種相控陣聲納系統(tǒng)換能器稀疏面陣優(yōu)化方法，其特征在于，包括如下步驟:(1)初始化步驟:初始化換能器稀疏面陣中的換能器權(quán)重系數(shù)矩陣W、退火初始溫度T、退火系數(shù)kt、滅活概率P1、激活概率Pa、最大迭代次數(shù)maxGen ;所述換能器權(quán)重系數(shù)矩陣W是三維矩陣，包含Pz個(gè)MXN的個(gè)體矩陣Wi ;其中Pz表示預(yù)先設(shè)定的班級(jí)種群規(guī)模，Μ和N表示換能器稀疏面陣兩軸線方向的換能器數(shù)目，i代表班級(jí)種群個(gè)體序號(hào)i=l，2，……Pz ；定義與第i個(gè)個(gè)體矩陣Wi相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)能量函數(shù)E (WJ，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述的相控陣聲納系統(tǒng)換能器稀疏面陣優(yōu)化方法，其特征在于，所述激活流程包括如下步驟:(2.1.1)隨機(jī)生成一個(gè)0到1的數(shù)R1;若札小于激活概率Pa,則令w^^^rand,得到新權(quán)重系數(shù)矩陣WinOT和新能量En，其中rand表示0到1的隨機(jī)數(shù)；否則，轉(zhuǎn)入步驟(2.3)；(2.1.2)比較新能量En和原始能量E。，按照模擬退火接受準(zhǔn)則決定是否用WinOT替代I。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述的相控陣聲納系統(tǒng)換能器稀疏面陣優(yōu)化方法，其特征在于，所述滅活流程包括如下步驟:(2.2.1)隨機(jī)生成一個(gè)0到1的數(shù)R2，若R2小于滅活概率Pi，則令Wmn=0，得到新權(quán)重系數(shù)矩陣WiM和新能量En;否則，轉(zhuǎn)入步驟(2.3)；(2.2.2)比較新能量En和原始能量E。，根據(jù)模擬退火算法接受準(zhǔn)則決定是否用Win?替代Wi，若是，則保持Wmn=0否則，令wmn=wmn+s (gen) * (rand-0.5),其中，rand 表示 0 到 1 的隨機(jī)數(shù)，
【文檔編號(hào)】G01S15/89GK103675799SQ201310505409
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月24日
【發(fā)明者】陳學(xué)東, 何學(xué)明, 羅欣, 羅再磊, 朱連利, 丁基恒, 趙賀彩, 趙樹(shù)培 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué), 公安海警學(xué)院