[发明专利]一种大孔径水声柔性阵阵形自校准装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及水声信号处理技术领域中的水声被动定位方法，尤其涉及一种大孔径水声柔性阵阵形自校准装置及方法。

背景技术

水声被动定位是水声信号处理领域的一项难题。基于TDOA的方法是最常用的水声被动定位算法之一，并广泛应用于实时水声被动定位系统中。该算法根据到达水听器阵列不同基元的信号相对时延来进行目标方位、距离和深度参数的估计。根据所使用的参数估计方法不同，基于TDOA的目标参数估计可以分为最大似然估计(MLE)和最小二乘方法(LSE)估计。最小二乘估计不需要任何先验知识，并能给出闭合形式（closed form）的解，通常用来求解超定方程组，因此在需要实时处理的被动定位系统中得到了广泛的应用。在无干扰噪声的情况下，根据r维空间中r+1个基元间的r个信号到达时延差就能够唯一确定目标声源的位置^[1]。有噪声存在时，信号到达时延的测量会产生误差，为了弥补干扰噪声造成的影响，定位所使用的基元个数要多于r+1个。

基于TDOA的被动定位系统的精度高低与基阵孔径大小有着密切的关系，基阵孔径越大，定位精度越高。对于船载被动定位系统来说，充分利用船体平台所能提供的空间和尺度是扩大基阵孔径的一种有效方法。但是，如果大孔径阵各基元之间采用刚性连接方式，会给基阵的布放和回收带来很大的不便。为了解决这个问题，在船载被动定位系统中采用柔性阵作为接收基阵，其各基元均采用软连接方式（不作刚性固定）。柔性阵的基元位置是不确定的，呈随机扰动状态，要使用前述的基于最小二乘的TDOA被动定位算法，就必须对柔性阵的阵形进行校准。

对于采用球面内插法^[2]和柔性阵的被动定位系统，被测目标与柔性阵中心基元的距离的估计仅与柔性阵各基元的相对位置有关，而与柔性阵基元的绝对位置无关。因此，本发明的方法仅解算柔性阵各基元的相对位置，而不测定各基元的绝对坐标。

参考文献

[1]Huang Y.,Benesty J.,Elko G.W.,Mersereau R.M.Real-Time Passive Source Localization:A Practical Linear-Correction Least-Squares Approach[J].IEEE Transaction on Speech and Audio Processing,2001,9(8):943-955.

[2]Smith J.O.,Abel J.S.The Spherical Interpolation Method of Source Localization[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,1987,12(1):246-252.

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种大孔径水声柔性阵阵形自校准装置及方法。

技术方案：一种大孔径水声柔性阵阵形自校准装置，主要包括以下部分：

（1）三只复合式收发水声换能器，其水听器部分用作水声柔性阵的三个基元，其发射换能器部分发射阵形自校准信号，对三只复合式收发水声换能器分别命名为T/R₁（其发射换能器部分命名为T₁，水听器部分命名为R₁）、T/R₂（其发射换能器部分命名为T₂，水听器部分命名为R₂）和T/R₅（其发射换能器部分命名为T₅，水听器部分命名为R₅）；

（2）三只水听器，用作水声柔性阵的另外三个基元，与三只复合式收发水声换能器共同组成柔性阵的六个基元，对三只水听器分别命名为R₀，R₃和R₄；

（3）一台三通道的功率放大器，用来为复合式收发水声换能器的发射换能器部分提供校准用的电信号，其三个信号输入端命名为Pin₁、Pin₂、Pin₃，三个功率输出端命名为Pout₁、Pout₂、Pout₃，三个输出控制端命名为Oen₁、Oen₂、Oen₃，每个输出控制端可设置为输出或禁止状态；