CN114491876A - 一种漏损声波检测阵列的自适应重构组阵方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种漏损声波检测阵列的自适应重构组阵方法及***,其方法包括步骤:S1获取阵列孔径、阵元数目、阵元最小间距;S2基于阵元最小间距,等步长选取一组螺旋线悬臂参数值;S3选取一个螺旋线悬臂参数值,并基于阵列孔径、阵元数目、阵元最小间距、阵元角度和公式,计算得到布阵可优化空间裕量;S4基于阵元间裕量间距向量、布阵可优化空间裕量,计算得到累积裕量占比向量;S5将累积裕量占比向量代入差分进化优化目标函数,进行预设次数迭代,以得到迭代后累积裕量占比向量;S6基于迭代后累积裕量占比向量,计算得到当前选取的螺旋线悬臂参数值对应的布阵方案。本发明提高了阿基米德等速螺旋线阵检测效率和精准度以及布阵编码速度和稳健性。
Description
技术领域
本发明属于重构组阵技术领域,具体涉及一种漏损声波检测阵列的自适应重构组阵方法及***。
背景技术
在已有的漏损声波检测阵列的布阵格局中,包括均匀或非均匀的线阵、平面矩形栅格阵、正多边形阵列及圆孔径阵列,且均有充分应用。尤其是圆孔径阵列,由于可以较孔径上形成较大面积,获得较多的阵元数,并且通常具有一定的对称性,因此得到了广泛地研究。
在这些针对圆孔径阵列的组阵方法研究上,通常是针对特定阵列形式设计对应的方法,如随机稀布形式,泊松散点形式,旋转对称阵列形式,同心圆环阵列形式,针对这些阵列的布阵已有了许多快捷的方法。对于阿基米德等速螺旋线阵,本身具有简洁的曲线方程和较为规则的阵列结构,其布阵方法和重构手段依然较为繁琐,并且没有达到可利用的最优化程度,在对漏损声波进行阵列检测时,仍然不足以实现更高效率和精准度。
因此,亟需一种可提高阿基米德等速螺旋线阵检测效率和精准度的重构组阵方法。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题,本发明提供一种漏损声波检测阵列的自适应重构组阵方法及***,提升了阿基米德等速螺旋线阵的布阵编码速度和稳健性,也提高了阿基米德等速螺旋线阵检测效率和精准度。
本发明采用以下技术方案:
一种漏损声波检测阵列的自适应重构组阵方法,包括步骤:
S1、获取阿基米德等速螺旋线阵的阵列孔径、阵元数目、阵元最小间距;
S2、基于阵元最小间距,等步长选取一组螺旋线悬臂参数值;
S3、选取一个螺旋线悬臂参数值,并基于阵列孔径、阵元数目、阵元最小间距、阵元角度和公式,计算得到布阵可优化空间裕量;
S4、基于阵元间裕量间距向量、布阵可优化空间裕量,计算得到累积裕量占比向量;
S5、将累积裕量占比向量代入差分进化优化目标函数,进行预设次数迭代,以得到迭代后累积裕量占比向量;
S6、基于迭代后累积裕量占比向量,计算得到当前选取的螺旋线悬臂参数值对应的布阵方案;
S7、重复步骤S3-S6,直至得到所有螺旋线悬臂参数值对应的布阵方案;
S8、选取相应布阵方案,对阿基米德等速螺旋线阵进行重构。
作为优选方案,步骤S2中,包括步骤:
作为优选方案,步骤S3中,阵元角度和公式,具体为:
其中,表示阵列第个阵元和第个阵元在阿基米德螺旋线上的间距,表示阵列最后一个阵元对应的旋转角度,表示悬臂开始点与原点的距离,L表示阵列孔径半径,表示螺旋线悬臂参数值,表示旋转角度,dmin表示阵元最小间距,N表示阵元数目。
作为优选方案,步骤S4中具体为:将阵元间裕量间距向量除以布阵可优化空间裕量,以得到累积裕量占比向量。
作为优选方案,步骤S5中,差分进化优化目标函数具体为:
作为优选方案,迭代次数g≥500。
作为优选方案,步骤S1中,阵列孔径半径L≤0.255m。
作为优选方案,步骤S1中,阵元最小间距dmin满足条件:
作为优选方案,阵元数目N≤129。
相应地,还提供了一种漏损声波检测阵列的自适应重构组阵***,基于上述的重构组阵方法,包括依次联接的信息获取模块、悬臂参数值选取模块、计算模块、重构模块;
计算模块包括依次联接的第一计算单元、第二计算单元、第三计算单元、第四计算单元,第一计算单元还与悬臂参数值选取模块联接,第四计算单元还与重构模块联接;
信息获取模块,用于获取阿基米德等速螺旋线阵的阵列孔径、阵元数目、阵元最小间距;
悬臂参数值选取模块,基于阵元最小间距,等步长选取一组螺旋线悬臂参数值;
第一计算单元,用于根据螺旋线悬臂参数值,并基于阵列孔径、阵元数目、阵元最小间距、阵元角度和公式,计算得到布阵可优化空间裕量;
第二计算单元,基于阵元间裕量间距向量、布阵可优化空间裕量,计算得到累积裕量占比向量;
第三计算单元,用于将累积裕量占比向量代入差分进化优化目标函数,进行预设次数迭代,以得到迭代后累积裕量占比向量;
第四计算单元,基于迭代后累积裕量占比向量,计算得到螺旋线悬臂参数值对应的布阵方案;
重构模块,用于根据布阵方案,对阿基米德等速螺旋线阵进行重构。
本发明的有益效果是:
针对圆孔径阿基米德等速螺旋线阵,设计了自适应检测需求的快速可重构的布阵方法,可提高阿基米德等速螺旋线阵在对漏损声波进行阵列检测时的检测效率和精准度。
对于累积裕量占比向量,该组向量元素均是位于[0,1]之间的随机数,可以随机直接生成,且具有依次递增的性质,因此在迭代过程中可以保证不出现不满足约束的阵列。这一方法大大提升了阿基米德等速螺旋线阵的布阵编码速度和稳健性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述一种漏损声波检测阵列的自适应重构组阵方法的流程图;
图2是阿基米德等速螺旋线阵的结构示意图;
图3是重构阵列前的远场方向图;
图4是重构阵列后的远场方向图;
图5是本发明所述一种漏损声波检测阵列的自适应重构组阵***的结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一:
参照图1,本实施例提供了一种漏损声波检测阵列的自适应重构组阵方法,包括步骤:
S1、获取阿基米德等速螺旋线阵的阵列孔径、阵元数目、阵元最小间距;
S2、基于阵元最小间距,等步长选取一组螺旋线悬臂参数值;
S3、选取一个螺旋线悬臂参数值,并基于阵列孔径、阵元数目、阵元最小间距、阵元角度和公式,计算得到布阵可优化空间裕量;
S4、基于阵元间裕量间距向量、布阵可优化空间裕量,计算得到累积裕量占比向量;
S5、将累积裕量占比向量代入差分进化优化目标函数,进行预设次数迭代,以得到迭代后累积裕量占比向量;
S6、基于迭代后累积裕量占比向量,计算得到当前选取的螺旋线悬臂参数值对应的布阵方案;
S7、重复步骤S3-S6,直至得到所有螺旋线悬臂参数值对应的布阵方案;
S8、选取相应布阵方案,对阿基米德等速螺旋线阵进行重构。
本发明针对圆孔径阿基米德等速螺旋线阵,设计了自适应检测需求的快速可重构的布阵方法,可提高阿基米德等速螺旋线阵在对漏损声波进行阵列检测时的检测效率和精准度。
具体的:
参照图2,对于相应的阵列检测需求和生产的阵列本身,首先其会具有固定的阵列孔径半径L和一定的阵元数目N,又对于阿基米德等速螺旋线阵具有固定的极坐标方程:,因此阵元位置可以直接由一系列递增的角度值表示出来:。极坐标方程中表示悬臂开始点与原点的距离,为螺旋线悬臂参数值变量,表示当前旋转角度,表示阵元N对应的旋转角度,且通常在阵列中心会设置阵元,即=0。此外,由于声波频率限制和麦克风阵元大小限制,阵元应具有一个阵元最小间距dmin。因此,组阵最优方法就是在常数约束条件及螺旋线悬臂参数值变量下的最优化问题。
该问题的优化目标是阵列在被动接受信号方向上具有最大的相对增益,因此该优化问题可以数学表达为:
其中,表示当前阵列排布下的主瓣强度,表示当前阵列排布下的最高旁瓣强度,Pos表示待优化变量。建立好待优化模型后,针对该复杂非线性非凸的优化问题,本发明设计了一种裕量占比方法来快速提取和分离待优化变量Pos,使其在能够独立快速设定的情况下,依然均可以满足约束条件。通过该方法可以得到最终的待优化向量:,表示阵元待优化累积裕量占比。该组向量元素均是位于[0,1]之间的随机数,可以随机直接生成,且具有依次递增的性质,因此在迭代过程中可以保证不出现不满足约束的阵列。这一方法大大提升了阿基米德等速螺旋线阵的布阵编码速度和稳健性。基于这样的待优化向量,我们使用差分进化的方法,快速得到在给定一个螺旋线悬臂参数值时的最优布阵方案。
接下来进行在给定阵列孔径半径、阵元数目、阵元最小间距下,不断改变时的可重构布阵组合。这时首先应该确定的变化范围,考虑阵元间距不能过小或过大,则可以根据等速螺旋线的间距确定的取值范围,考虑阵元间距不能过小或过大,等速螺旋线又具有等距的性质。因此的取值范围应使得同一角度方向上相邻旋线之间的距离介于[dmin,2dmin]之间,并根据实际需求,可重构阵列组一般取5-10个,由此等步长地取一组。
下面通过实例进行发明实际说明。
对于一个给定孔径,阵元数的阿基米德等速螺旋线阵,其具有极坐标方程和笛卡尔参数坐标方程形式如下:
阵列阵元之间应该具有阵元最小间距来保证阵列具有足够分辨率和布阵空间,设其为dmin,dmin一般取待检测信号最大波长的二分之一。
管道漏损信号频率功率谱峰值普遍分布在2000Hz-5000Hz,更低频率阵列难以得到有效数据而更高频率远场衰减较大。取声速为c=340m/s,信号波长范围约为0.068m-0.170m,dmin取值应大于等于最大可接收波长的一半(即待检测信号最大波长的二分之一)。探测阵列为圆孔径平面阵列,半径取最大半波长的整数倍,因此阵列孔径半径设计为约小于等于0.255m。在这样的阵列孔径半径大小与阵元间距约束下,阵元个数一般不超过129个,因此有:
该式右边可以由已知量阵列孔径半径L,阵元数目N,阵元最小间距dmin,以及阿基米德螺旋线参数计算得出,因此可以作为已知量,记为布阵可优化空间裕量D,则待优化变量就是阵元间裕量间距向量:,表示阵元N与前一阵元裕量间距。将该式改写为依次累加的形式,那么显然有向量各元素之和等于D,因此,两边同时除以布阵可优化空间裕量D,且表示为累积占比的形式,那么有累积裕量占比向量:
利用差分进化方法优化这一组随机变量,其优化的目标函数为
在满足迭代次数g≥500时,迭代停止,最终得到的迭代后累积裕量占比向量即是最优布阵方案。
此处需要说明的是,Pos表示当前阵列排布下的各阵元位置,其可通过当前累积裕量占比向量计算得到,即将根据当前累积裕量占比向量计算得到的各阵元的位置带入所述差分进化优化目标函数进行计算,以得到迭代后累积裕量占比向量,按照上述方式继续进行迭代,直至预设迭代次数,以得到最终迭代后累积裕量占比向量。
接下来依据上述方法进行在给定阵列孔径半径、阵元数目、阵元最小间距下,不断改变时的可重构布阵组合。且所有针对同一阵列的布阵方案全部可以用一个列向量的形式存储在检测仪器内部,在需要重构时,先根据 QUOTE 值进行悬臂角度调整,再根据裕量向量调整单个麦克风阵元位置。
参照图3、图4,可以看出重构阵列后的远场方向图中央主瓣波束增益增强,主瓣附近旁瓣增益较低,使定位方向具有更高的精确度,在同等信号强度下,获得了更高的信噪比。
实施例二:
参照图5,本实施例,提供一种漏损声波检测阵列的自适应重构组阵***,基于实施例一所述的重构组阵方法,包括依次联接的信息获取模块、悬臂参数值选取模块、计算模块、重构模块;
计算模块包括依次联接的第一计算单元、第二计算单元、第三计算单元、第四计算单元,第一计算单元还与悬臂参数值选取模块联接,第四计算单元还与重构模块联接;
信息获取模块,用于获取阿基米德等速螺旋线阵的阵列孔径、阵元数目、阵元最小间距;
悬臂参数值选取模块,基于阵元最小间距,等步长选取一组螺旋线悬臂参数值;
第一计算单元,用于根据螺旋线悬臂参数值,并基于阵列孔径、阵元数目、阵元最小间距、阵元角度和公式,计算得到布阵可优化空间裕量;
第二计算单元,基于阵元间裕量间距向量、布阵可优化空间裕量,计算得到累积裕量占比向量;
第三计算单元,用于将累积裕量占比向量代入差分进化优化目标函数,进行预设次数迭代,以得到迭代后累积裕量占比向量;
第四计算单元,基于迭代后累积裕量占比向量,计算得到螺旋线悬臂参数值对应的布阵方案;
重构模块,用于根据布阵方案,对阿基米德等速螺旋线阵进行重构。
需要说明的是,本实施例提供的一种漏损声波检测阵列的自适应重构组阵***,与实施例一类似,在此不多做赘述。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进,均应落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种漏损声波检测阵列的自适应重构组阵方法,其特征在于,包括步骤:
S1、获取阿基米德等速螺旋线阵的阵列孔径、阵元数目、阵元最小间距;
S2、基于阵元最小间距,等步长选取一组螺旋线悬臂参数值;
S3、选取一个螺旋线悬臂参数值,并基于阵列孔径、阵元数目、阵元最小间距、阵元角度和公式,计算得到布阵可优化空间裕量;
S4、基于阵元间裕量间距向量、布阵可优化空间裕量,计算得到累积裕量占比向量;
S5、将累积裕量占比向量代入差分进化优化目标函数,进行预设次数迭代,以得到迭代后累积裕量占比向量;
S6、基于迭代后累积裕量占比向量,计算得到当前选取的螺旋线悬臂参数值对应的布阵方案;
S7、重复步骤S3-S6,直至得到所有螺旋线悬臂参数值对应的布阵方案;
S8、选取相应布阵方案,对阿基米德等速螺旋线阵进行重构。
4.根据权利要求1所述的一种漏损声波检测阵列的自适应重构组阵方法,其特征在于,步骤S4中具体为:将阵元间裕量间距向量除以布阵可优化空间裕量,以得到累积裕量占比向量。
6.根据权利要求5所述的一种漏损声波检测阵列的自适应重构组阵方法,其特征在于,迭代次数g≥500。
7.根据权利要求1所述的一种漏损声波检测阵列的自适应重构组阵方法,其特征在于,步骤S1中,阵列孔径半径L≤0.255m。
9.根据权利要求1所述的一种漏损声波检测阵列的自适应重构组阵方法,其特征在于,阵元数目N≤129。
10.一种漏损声波检测阵列的自适应重构组阵***,基于权利要求1-9任一项所述的一种漏损声波检测阵列的自适应重构组阵方法,其特征在于,包括依次联接的信息获取模块、悬臂参数值选取模块、计算模块、重构模块;
计算模块包括依次联接的第一计算单元、第二计算单元、第三计算单元、第四计算单元,第一计算单元还与悬臂参数值选取模块联接,第四计算单元还与重构模块联接;
信息获取模块,用于获取阿基米德等速螺旋线阵的阵列孔径、阵元数目、阵元最小间距;
悬臂参数值选取模块,基于阵元最小间距,等步长选取一组螺旋线悬臂参数值;
第一计算单元,用于根据螺旋线悬臂参数值,并基于阵列孔径、阵元数目、阵元最小间距、阵元角度和公式,计算得到布阵可优化空间裕量;
第二计算单元,基于阵元间裕量间距向量、布阵可优化空间裕量,计算得到累积裕量占比向量;
第三计算单元,用于将累积裕量占比向量代入差分进化优化目标函数,进行预设次数迭代,以得到迭代后累积裕量占比向量;
第四计算单元,基于迭代后累积裕量占比向量,计算得到螺旋线悬臂参数值对应的布阵方案;
重构模块,用于根据布阵方案,对阿基米德等速螺旋线阵进行重构。
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