[发明专利]一种基于十字型的三维成像声纳阵列的稀疏优化方法

说明书

本发明公开了一种十字型的三维成像声纳阵列的稀疏优化方法，包括以下步骤：首先，基于十字型阵列，构建同时适用与近场和远场的波束方向图；然后，根据波束方向图构建稀疏优化所需的能量函数；接下来，在模拟退火算法中引入阵元位置扰动，并利用增加阵元位置扰动的模拟退火算法对能量函数进行稀疏优化，以增大稀疏优化的自由度，提高阵列的稀疏率；最后，经过上述优化后，获得稀疏优化后的十字型阵列。本发明能够保证三维成像声纳系统在任何距离都具备期望的性能，同时大大降低系统硬件复杂度。为实现较高性能，超低复杂度的三维成像声纳系统提供了有效方法。

技术领域

本发明涉及相控阵三维成像声纳技术领域，具体涉及一种基于十字型的三维成像声纳阵列的稀疏优化方法。

背景技术

采用平面阵列实现三维声纳成像具有观测距离远，分辨率高等特点。然而，平面阵列的使用，往往伴随着大量的阵元数量，动辄成千上万的换能器数量导致平面阵列三维声学摄像声纳系统体积庞大、设备沉重、成本昂贵、功耗巨大。平面阵列三维声学摄像声纳系统主要应用于大型船体或拖体上，能够对环境相对简单的水域进行有效探测。但是，对于某些复杂环境，则需要潜水员或小型的AUV通过小型化便携式三维声学摄像声纳系统灵活地进行探测，而针对此类应用，平面阵列三维声学摄像声纳系统则难以胜任。

为了解决平面阵列阵元数量庞大的问题，研制小型化三维声学摄像声纳系统，众多国内外科学家从不同的角度提出了解决方案。其中，一大部分学者通过采用不等间距稀疏阵的方法，解决换能器数量庞大的问题，并提出了模拟退火算法、遗传算法及粒子群优化算法等随即稀疏算法，以获得高稀疏率的平面接收阵列，但是通常得到的非等间距稀疏阵列仍然包含400左右的阵元数量，对于小型化便携式三维声纳成像系统而言，阵元数量依然偏高。

另一部分学者通过发射阵列和接收阵列共同进行波束形成的方式，利用发射和接收波束形成在不同方向的波束指向性，消除发射和接收阵列中的冗余阵元，实现阵元数量的大幅度降低。其中典型的应用即十字型阵列，它是由两条相互垂直的线型阵列构成，一条作为发射阵列，一条作为接收阵列，发射阵列向垂直方向依次发射扇形波束，接收阵列探测声纳回波，并在该扇形波束内进行水平方向的波束形成，通过发射和接收共同的波束形成，实现三维图像的构建。

十字型阵列能够使用M+N个阵元获得与平面阵M×N阵元相同的波束性能(角度分辨率、旁瓣峰值等)。但是十字型阵列在阵元数量及在整个观测场的性能均存在进一步优化的空间。

发明内容

本发明的目的提供了一种十字型的三维成像声纳阵列的稀疏优化方法，利用方法设计的十字型阵列，保证三维成像声纳系统在任何距离都具备期望的性能，同时大大降低系统硬件复杂度。为实现较高性能，超低复杂度的三维成像声纳系统提供了有效方法。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种十字型的三维成像声纳阵列的稀疏优化方法，包括以下步骤：

(1)基于十字型阵列，构建同时适用于近场和远场的波束方向图BP(W,u,v,δ,f_j)，该波束方向图BP(W,u,v,δ,f_j)为：

其中，W是阵列的权重系数，包含垂直发射阵列的权重系数ω_n和水平接收阵列的权重系数ω_m；

f_j是垂直波束j方向的发射频率；

x_m是水平接收阵列的第m个阵元位置；

y_n是垂直发射阵列的第n个阵元位置；

c是声波在水中传播的速度；

δ＝1/r-1/r₀；

r是目标距离；