[发明专利]配置参考声源的水下运动声源柱面矢量聚焦定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种对运动声源进行聚焦定位的方法。

背景技术

利用被动合成孔径原理对运动声源进行聚焦定位，在提高测试效率的同时，由于沿运动方向上的虚拟阵列孔径得到扩展，在该方向上的空间分辨率也可得到明显提高。实际应用中，需要根据声源辐射面的特点，获取柱面上的空间分布特征。同时，理想条件下的匀速运动条件在实际应用中很难满足，实际遇到的大部分是非匀速运动以及与基阵存在运动倾角的复杂情况，由此得到的虚拟阵列均属于非规则阵列，即稀疏阵列。因此，近场声全息及运动声全息等一类应用于规则阵列的定位识别方法均会出现严重的定位偏差甚至失效。

与传统的声场分析和声源识别方法相比，声聚焦阵列信号处理方法物理意义清晰，可综合利用声波的强度和相位信息反演声场，并可通过设计高分辨聚焦处理器以获得较高的空间分辨能力，较声全息方法具有物理意义明确，工程实现宽容性好的优点。结合MVDR高分辨处理器可以降低聚焦空间谱图的旁瓣级并获得尖锐的谱峰。然而，MVDR高分辨聚焦算法走向工程实用化的技术瓶颈在于该类算法在存在失配误差的情况下会出现明显的性能下降甚至失效，亟待研究可提高该类方法稳健性的新型手段和方法。

目前针对运动声源的聚焦定位方法研究结果较少。时洁等人研究了基于最差性能优化的运动声源稳健聚焦定位识别方法（时洁，杨德森，时胜国.基于最差性能优化的运动声源稳健聚焦定位识别方法研究.物理学报，2011，60(6)：064301，1-11），但由于未配置标准声源，从而无法查找辐射声源与标准声源之间的空间位置，这为查找辐射声源位置带来了困难，另外，该方法无法适用于具有柱面分布特性的声源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稳健性高，适用于非匀速及存在运动倾角的测试条件，具有较强的宽容性和工程实用性的配置参考声源的水下运动声源柱面矢量聚焦定位方法。

本发明的目的是这样实现的：

（a）根据基于矢量阵的水下运动声源测试系统模型，应用被动合成孔径原理，在球面波传播规律及点声源假设条件下，获取矢量阵接收信号。

（b）针对普遍存在的非匀速运动及与基阵存在运动倾角的情况，采取配置参考声源f₀的方式，利用矢量阵最大似然聚焦定位算法，对等时间间隔下的分段数据进行定位，获取整个运动过程中各时间段下的声源位置、速度和倾角等运动参数估计结果。

（c）根据（b）中获得的分段数据以及定位结果生成稀疏虚拟阵列参数及虚拟矢量阵数据矩阵，并得到虚拟阵列采样数据协方差矩阵。

（d）根据声源辐射面特点，针对分析频率f_i，在声源所在柱面进行聚焦扫描，生成虚拟矢量阵聚焦导向矢量。

（e）对（d）中生成的虚拟矢量阵聚焦导向矢量施加最差性能优化约束条件，并将其转化为具有单一非线性约束的二次最小化问题，利用二阶锥规划方法对该优化条件下的最优权矢量进行求解，进而得到该扫描点处优化后的聚焦输出功率。

（f）设置合适步长，重复（d）至（e）的步骤，进行完整柱面搜索并比较输出功率谱图，由谱峰位置确定噪声源所在位置，定位结果可指示声源f_i与参考声源f₀之间的空间位置关系。

本发明的有益效果是：通过配置参考声源，并对虚拟矢量阵聚焦导向矢量施加最差形成最优约束优化条件，提高了MVDR高分辨聚焦定位方法在存在失配误差下的稳健性。新方法在失配条件下可以获得更大的动态范围、更尖锐的聚焦峰尺度以及更强的背景噪声级抑制能力，新方法适用于非匀速及存在运动倾角的测试条件，便于查找各噪声源与参考声源的空间相对位置关系，具有较强的宽容性和工程实用性。

附图说明

图1实船测试中水平矢量阵布放情况示意图；

图2运动声源定位过程示意图；

图3各个时间段声源的运动速度；

图4分段数据定位结果；

图5虚拟阵列坐标；

图6(a)-图6(b)运动声源聚焦空间谱（MVCFB），其中图6(a)为伪彩图、图6(b)为等高线图；

图7(a)-图7(b)运动声源聚焦空间谱（MVMVDRFB），其中图7(a)为伪彩图、图7(b)为等高线图；

图8(a)-图8(b)运动声源聚焦空间谱（RMVMVDRFB），其中图8(a)为伪彩图、图8(b)为等高线图；

图9y向聚焦空间谱切片对比效果图；

图10周向聚焦空间谱切片对比效果图；