[发明专利]一种基于垂直线列阵的深海盲解卷积方法

说明书

本发明涉及一种基于垂直线列阵的盲解卷积方法，适用于深海大深度垂直线列阵与海面附近宽带声源之间信道冲击响应的估计问题，属于海洋工程、水声工程、阵列信号处理和声呐技术等领域。本发明方法将常规宽带波束输出中直达波和海面反射波的时延差信息引入信道冲激响应估计中，利用多途时延差信息和波束形成器输出相位构造新的相位补偿项。本发明在典型深海环境下，所提方法能够正确地估计出声源和接收阵列之间的信道冲激响应，其估计效果优于现有RBD方法。且本方法计算简单、计算量小。

技术领域

本发明涉及一种深海环境下基于垂直线列阵的盲解卷积方法，适用于深海大深度垂直线列阵与海面附近宽带声源之间信道冲击响应的估计问题，属于海洋工程、水声工程、阵列信号处理和声呐技术等领域。

背景技术

准确地估计声源与接收阵列之间的信道冲激响应对于水声通信和水下目标定位具有重要意义。利用阵列接收信号，盲解卷积方法能够同时估计出信道冲激响应和声源信号波形，因此其一直以来都受到水声工作者的广泛关注。目前，盲解卷积方法主要包括时频分析方法、最小二乘方法、多卷积方法和基于射线理论的盲解卷积方法。

上述盲解卷积方法中，基于射线理论的盲解卷积方法(Ray-based blinddeconvolution,RBD)具有实际应用简单、计算量小等优点，目前已被广泛地应用于信道均衡、浅海声源定位、海底参数反演以及阵型校准等问题。RBD方法的基本思想是：首先利用常规宽带波束形成器分离出到达接收阵列的某条声线并进行波束输出，该波束输出的相位包含未知的声源相位和一个与所选声线有关的时延；然后利用该波束输出的相位对各阵元接收信号进行相位补偿，即可得到当前收发配置下的信道冲激响应。

但是，在深海环境下，对于大深度短孔径垂线阵，现有的RBD方法无法直接应用。其原因在于：当阵列位于海底附近而声源位于海面附近时，声线直达路径和海面反射路径(或海底反射路径和海面-海底反射路径)的幅度近似相同且到达俯仰角十分接近，此时，对于短孔径垂直线列阵，常规宽带波束形成波束输出信号中将包含两条幅度近似相等的路径，这两条声传播路径的混叠限制了现有的RBD方法在深海环境下的应用。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有RBD方法在深海环境下由于阵列波束分辨能力不足和多径混叠而导致的性能下降问题，本发明提出一种基于垂直线列阵的深海盲解卷积方法。该方法基于直达和海面反射路径的时延差和波束形成器的输出相位构造相位补偿因子，使用所构造的补偿因子对声源接收信号进行相位补偿从而估计信道冲激响应。

技术方案

一种基于垂直线列阵的深海盲解卷积方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在深海海底布放一套垂直线列阵接收海面声源发出的宽带信号；所述的垂直线列阵由M个阵元组成，阵元间隔为d，阵列采样频率为f_s，第j个阵元接收的时域信号为x_j(k)，k为采样时间点；

步骤2：对垂线阵接收信号进行频域宽带波束形成，具体流程如下：首先对阵元接收信号进行快速傅立叶变换，得到频域接收信号，记第j个阵元的频域接收信号为X_j(f)；其次，在指定频带[B₁,B₂]Hz内，对每个频点上的接收信号进行波束形成，频点f_n处指向角度θ的波束形成器权值为

其中上标“T”表示转置运算，c为波束形成参考声速，i为虚数单位；频点f_n处指向角度θ的波束形成器输出为

其中上标“H”表示共轭转置运算，“×”表示向量相乘，n＝1,2,…,N，N为波束形成频点数；