[发明专利]一种基于恒模算法的阵元位置估计方法

说明书

本发明涉及一种基于恒模算法的阵元位置估计方法，根据阵元上的接收信号，以及位于坐标原点处的阵元信息，使用CMA方法估计阵列流形矩阵。求所得阵列流形矩阵的相位信息，利用第二个已知阵元信息，根据相位和角度的关系估计各个声源的入射角。将阵元真实位置表示为平面上某一位置和位置差之和，利用估计的阵列流形、估计的声源入射角及已知阵元位置信息逐个估计其余阵元位置。无需构造代价函数对每个阵元的位置进行网格搜索，计算量不依赖于原始阵元位置，与形变大小无关，简化计算复杂度，提高了运算效率，实现了对信号波达方向和阵元位置的联合估计。

技术领域

本发明属于阵元位置估计方法，涉及一种基于恒模算法的阵元位置估计方法，利用两个未知位置上的非相干窄带源以及两个已知位置的阵元实现阵列其余阵元的位置估计，涉及信号处理、水声测量等领域。

背景技术

对于海底固定声呐，由于声呐阵列布放的不可控因素很多，水下作业精度难以保证，会导致阵列形状发生弯曲变形。同时多变的水下环境条件(如潮汐和海浪)也极易使声呐阵元位置产生严重偏差。在波束形成中大多数高分辨算法都是以阵列流形精确已知为前提的，而阵元位置的偏差会造成理论阵列流形与实际不符，使得算法的性能下降。侯觉等人(侯觉，陈伏虎，诸洁琪.阵元位置偏差对声基阵性能的影响[J].声学与电子工程,2017(01):9-12.)建立了阵元位置偏差的数学模型，并推导证明了输出能量、指向性指数与位置偏差之间的关系，量化分析了阵元位置偏差对声基阵性能的影响，并给出了不同频率和不同偏差量下的仿真结果。

当前的阵列校准方法主要有两种，一种是有源校准法，另一种是自校准法。有源校准法利用空间位置精确已知的声源进行校准，运算量较小，但这类方法需要放置辅助声源，对设备的要求更高，且声源信息中可能出现的误差会对阵元位置估计的结果产生影响。自校准法中无需辅助声源的位置信息，但由于它是对波达方向和阵元位置的联合估计，因此估计精度较差，且运算量较大。此外，它还经常对阵列结构有一定的限制(曹圣红.存在阵列误差条件下波达方向估计算法研究[D].中国科学技术大学博士学位论文,2014.)。

国内学者晁大海(晁大海,李光远,侯朋.基于模拟退火法的水下多元线阵阵列误差有源校正方法[J].舰船科学技术,2018,40(17):107-110.)、李光远(李光远,侯朋,程广福.基于粒子群算法的水下多元线阵阵形有源校正方法[J].舰船科学技术,2017,39(15):151-155.)等人研究了利用辅助声源进行阵元校准的优化算法，第一个方法需要将一个辅助声源放置在三个不同位置上，第二个方法需要放置两个辅助声源，二者应用条件均较为苛刻，易产生较大误差。

Weiss(A.J.Weiss and B.Friedlander,Array shape calibration usingsources in unknown locations-a maximum likelihood approach,IEEE Transactionson Acoustics,Speech,and Signal Processing,1989；37(12):1958-1966.)提出一种阵元位置自校准方法，基于最大似然准则定义代价函数进行迭代求解，该算法在给定有效初始估计时能够得到最大似然意义上的最优性能，运算复杂度较高。这属于构造关于信号波达方向和阵元位置间的代价函数，用代价函数的最值点作为估计限制条件，此外还有一种方法，通过增加阵列结构的限制条件来设计阵元校准算法。

本发明对阵元间距进行限制，基于恒模算法(Constant modulus algorithm,CMA)估计阵列流形，提出一种无需对阵元位置进行搜索的阵元自校准方法，有效降低了运算复杂度。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于恒模算法的阵元位置估计方法，是一种阵列的自校准方法。为了降低算法计算复杂度，针对阵元间距小于半波长的声呐阵列，利用两个未知位置上的非相干窄带源以及两个已知位置的阵元，首先估计两个声源的方位，之后迭代估计出其余阵元的位置，阵元间距的限制避免了相位模糊问题。