[发明专利]基于单近场校正源的拖曳线列阵阵形估计方法和装置

摘要

本发明属于阵列信号处理领域，为实现校正源的精确方位控制，从而提高阵形估计精度。为此，本发明采用的技术方案是，基于单近场校正源的拖曳线列阵阵形估计方法和装置，由拖曳船，近场校正源，拖曳线列阵，阵元，信号采集模块，信号传输模块和信号处理模块组成；近场校正源安装在拖曳船的头部或尾部，并通过位置传感器确定校正源的位置坐标，阵元接收经过水声信道传播的声信号，并将其转化为电信号，通过信号采集模块对电信号进行采集，将模拟信号转化为数字信号，在信号传输模块中将各个阵元数据进行打包编码处理，并传给信号处理模块。本发明主要应用于阵列信号处理场合。 1

主权项

1.一种基于单近场校正源的拖曳线列阵阵形估计装置，其特征是，由拖曳船，近场校正源，拖曳线列阵，阵元，信号采集模块，信号传输模块和信号处理模块组成；将拖曳线列阵的首阵元设为参考阵元，参考阵元的位置由全球定位系统GPS(Global Positioning System)或北斗位置传感器测得，并以参考阵元为原点建立直角坐标系；近场校正源安装在拖曳船的头部或尾部，并通过位置传感器确定校正源的位置坐标，用于发射设计好的用于校正阵形的水声信号，在线列阵阵元间距已知的前提下，阵元接收经过水声信道传播的声信号，并将其转化为电信号，通过信号采集模块对电信号进行采集，将模拟信号转化为数字信号，在信号传输模块中将各个阵元数据进行打包编码处理，并传给信号处理模块，信号处理模块用于经过阵形估计算法的处理得到各阵元的位置坐标。

2.如权利要求1所述的基于单近场校正源的拖曳线列阵阵形估计装置，其特征是，

阵形估计算法的具体步骤是，不同阵元接收数据的相位差求解方法：均匀线列阵由于海洋洋流或船速变化等的影响发生弯曲，忽略校正声信号的反射作用及阵元在深度方向的变化，单个近场校正源发射声信号由M个阵元接收，阵列接收数据矢量表示为：

X(t)＝AS(t)+N(t)      (1)

其中X(t)为阵列的M×1维快拍数据矢量，A为M×1维阵列流型矩阵，S(t)为空间信号矢量，N(t)为阵列的M×1维噪声数据矢量，以参考阵元为原点建立直角坐标系，(x_i,y_i)为第i个阵元的位置坐标，i＝2,3,...,M，(x₁,y₁)为已知的参考阵元位置坐标，θ为校正源的方位到达角DOA(Direction of Arrival)，对于求解不同阵元接收数据的相位差△φ_i部分，首先设置阵元个数M，然后求解接收数据矢量的协方差矩阵R，并对R进行特征值分解，根据阵列信号处理理论，根据特征向量的相位求解不同阵元的相位差，用于进一步估计阵元的位置坐标；

建立基于单近场校正源的阵形估计模型：相邻阵元之间近似为直线，距离为d，近场校正源S₁(x_a,y_a)到参考阵元的距离为r₁，DOA为θ，(x₁,y₁)为已知的参考阵元的位置坐标，r_i为校正源S₁到第i个阵元的距离，通过GPS等位置传感器获取近场校正源和参考阵元的位置，以参考阵元为原点建立直角坐标系，则根据上面求解的不同阵元之间的相位差△φ_i得两个相邻阵元到参考阵元之间的距离差，表示如下，

r_i＝r_i‑1‑△φ_i·λ/(2·π)    (2)

根据初始计算的近场校正源到参考阵元的距离r₁，迭代求解出各个阵元到参考阵元的距离，因近场校正源发射的声信号为球面波，以近场校正源S₁为原点建立极坐标系，则第i个阵元的极角表示为，

第i个阵元的直角坐标(x_i,y_i)通过下式计算得到，

经过阵形估计算法求解出各阵元的位置坐标，从而实现拖曳线列阵阵形估计和校正。

3.一种基于单近场校正源的拖曳线列阵阵形估计方法，其特征是，将阵元的首阵元设为参考阵元，其位置由GPS(Global Positioning System)或北斗位置传感器测得，并以参考阵元为原点建立直角坐标系；将近场校正源安装在拖曳船的头部或尾部，并通过位置传感器确定校正源的位置坐标，用于发射设计好的用于校正阵形的水声信号，在线列阵阵元间距已知的前提下，阵元接收经过水声信道传播的声信号，并将其转化为电信号，通过信号采集模块对电信号进行采集，将模拟信号转化为数字信号，在信号传输模块中将各个阵元数据进行打包编码处理，并传给信号处理模块，信号处理模块用于经过阵形估计算法的处理得到各阵元的位置坐标。

4.如权利要求3所述的基于单近场校正源的拖曳线列阵阵形估计方法，其特征是，在一个实例中，包括如下具体步骤：

第一步是放置近场校正源及设定发射声信号的相关参数；

根据阵列的近场源距离条件0.62·(D³/λ)^1/2<r≤2D²/λ，其中D为阵列孔径，λ为信号源的中心波长；r为信号源到参考阵元的距离，将近场校正源固定于拖曳船尾部适当位置，通过GPS等位置传感器测量并转换得到近场校正源的直角坐标为(0,150)，则近场校正源到参考阵元的距离为150m，到达方位角DOA为0°；发射声信号选取正弦信号，中心频率为125Hz；实验中选取均匀线列阵，阵元数M为25，阵元间距d为3m；信号采集模块的采样频率为1kHz；设置重复试验次数为100次，避免实验结果的偶然性；

第二步是求解不同阵元接收声信号的相位差；

阵元接收经过水声信道传播的声信号，并将其转化为电信号，通过信号采集模块和传输模块传给控制中心进行处理，放置的近场校正源发射的声信号由25个阵元接收，在25×1维的阵列流型矩阵A中包含阵列形状相关信息，表示为，

其中φ_k为近场校正源到第k个阵元的相位，k＝1,2,…,25，表示为，

其中r为近场校正源到参考阵元的距离，为150m，λ为校正源的中心波长，为12m，(x_k,y_k)(k＝1,2,...,25)为第k个阵元的位置坐标，θ为校正源到参考阵元的DOA，为0°，进一步地，求解接收数据矢量的协方差R，并对R进行特征值分解，表示如下，

<