[发明专利]基于改进遗传算法的三维成像声纳接收平面阵阵元稀疏优化方法

说明书

本发明公开了一种基于改进遗传算法的三维成像声纳接收平面阵阵元稀疏优化方法包括下述步骤：1）将所述的问题转化为染色体串，将三维成像声纳的平面阵阵元位置的开启情况进行编码；2）初始种群确定；3）三维成像声纳阵元稀疏的适应度函数确定；4）选择确定；5）交叉确定；6）变异确定。本发明提出的阵元稀疏优化方法实现了在满足波束方向图的最大旁瓣值和阵元稀疏率的情况下需要开启的最少阵元数目。

技术领域

本发明涉及平面阵三维成像声纳技术领域，特别涉及一种基于改进的遗传算法的三维成像声纳接收平面阵阵元稀疏优化方法，即在满足波束方向图的最大旁瓣值和阵元稀疏率的情况下需要开启的最少阵元数目。

背景技术

随着近几年海洋事业的快速发展，为了满足水下地貌侦查、水下障碍物及目标探测、水下作战、工程勘察及民用领域物体打捞等要求，高分辨三维成像声纳系统起到了至关重要的作用。该声纳系统发射的单频脉冲信号遇到水下目标后得到的回波信号作用于接收平面阵上，但是，此时需要进行波束形成运算的回波数据量很大，在实际应用中能够实现大规模的波束运算是很难的。同时，需要了解的是，波束形成运算量与接收平面阵阵元数存在一定的正比关系。另外，当接收平面阵具有较长的几何尺寸时，三维成像声纳才能获得较小的主瓣波束宽度，而且，当平面阵的阵元之间的距离小于或接近半波长时才能抑制栅瓣的出现，所以，高分辨三维成像声纳的平面阵所需的阵元数由几千个甚至上万个间距接近半波长的阵元组成，此时，系统硬件复杂度和成本开销非常大。

接收平面阵上获得的回波信号经过波束形成运算会随着波束方向变化得到一个主瓣及若干个旁瓣峰值。主瓣峰值中最小值对应的角度为主瓣波束宽度，旁瓣峰值中最大值记为最大旁瓣峰值。为了提高三维成像效果，可以减小主瓣波束宽度及降低最大旁瓣峰值。

三维成像声纳接收平面阵的稀疏优化主要是将平面阵中的部分阵元进行关闭，通过波束形成计算得到波束图。获得成像声纳系统所要求的最大旁瓣峰值和最大主瓣波束宽度。系统中不工作的平面阵的阵元数与满阵平面阵的阵元数目之比称为稀疏率，稀疏率越高表明声纳系统中工作的平面阵阵元数越少。引入平面阵阵元优化技术可以使系统在保持原有波束图特性的情况下，减少所需开启的阵元数，大大降低三维成像声纳系统的硬件成本。

在稀疏优化过程中不考虑保留下来的换能器阵元的加权系数，所以对于均匀平面阵的阵元的稀疏化，等同于对满阵元的阵元位置进行0、1编码，表示阵元是否开启状态，这就与遗传算法中的二进制编码具有相似的对应关系，模型简单，所以三维成像声纳的接收平面阵阵元稀疏采用改进遗传算法。

遗传算法是在达尔文的遗传学说的机理基础上，通过对自然进化过程的模拟而搜索到优化问题的最优解的方法。物种的个体状态完全由基因控制，每个基因产生的个体对环境具有一定的适应性，父代是通过基因的杂交和基因变异完成子代的产生，子代表现出的新状态通过自然的选择，适应度高的个体则被保留下来。适应度较高的个体则以更高的机率充当父代以便产生新的子代。

遗传算法将问题转化成染色体，从而构成一个染色体串，然后再将这些染色体放在预设的环境中，根据环境的取向性，进行自然选择，产生新的染色体，进而产生新的问题解。遗传算法主要包括基因复制、交叉和变异几个操作，如此反复下去，直到找到一个在某种度量下足够优秀的个体，将其作为问题的解。

目前在对三维成像声纳接收平面阵的阵元进行稀疏优化而且能够在实际系统中进行应用的研究方法尚处于起步研究阶段，本发明则提供一种基于遗传算法但能够避免早熟的改进遗传算法的三维成像声纳的平面阵阵元稀疏优化方法。

发明内容

本发明提供了一种基于改进遗传算法的三维成像声纳接收平面阵的阵元稀疏优化方法，即在满足波束方向图的最大旁瓣值和阵元稀疏率的情况下需要开启的最少阵元数目。

假设三维成像声纳的平面阵阵元数为M*N，从遗传算法对阵元稀疏率、波束方向图性能及迭代次数出发，本发明提供的基于改进遗传算法的三维成像声纳接收平面阵阵元稀疏优化方法包括下述步骤：