本發(fā)明屬于聲納柔性基陣陣形估計(jì)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用合作聲源信息的陣形估計(jì)方法。

背景技術(shù)：

聲納的處理基礎(chǔ)為陣處理，而陣處理獲得良好性能的前提保障就是需要準(zhǔn)確地掌握陣形信息。

目前，用于遠(yuǎn)距離安靜型目標(biāo)探測(cè)的有效手段就是低頻大孔徑探測(cè)，然而，對(duì)于大孔徑的拖曳線陣或者岸基陣，由于陣形失配帶來(lái)對(duì)寬帶警戒及后端的跟蹤，關(guān)聯(lián)和識(shí)別等處理模塊的不利影響在實(shí)際應(yīng)用中是普遍存在的，而且很大程度上降低了聲納的探測(cè)能力，出現(xiàn)漏報(bào)和虛警的概率大幅度提高，因此實(shí)時(shí)且無(wú)偏地估計(jì)聲納基陣陣形對(duì)聲納處理的重要性不言而喻。目前常見(jiàn)的陣形估計(jì)方法大致可以分為兩大類：(1)基于航向傳感器和深度傳感器等傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行陣形擬合；(2)利用合作聲源的已知信息，采用信號(hào)處理的方法來(lái)估計(jì)陣形。前者實(shí)現(xiàn)方法相對(duì)簡(jiǎn)單，但是對(duì)傳感器精度和穩(wěn)定性要求較高，在實(shí)際中安裝和維護(hù)成本也較高，而且通過(guò)目前實(shí)際數(shù)據(jù)顯示的結(jié)果也不是很理想。后者方法實(shí)現(xiàn)的必要條件較多，而且過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，目前常見(jiàn)的該方法例子中，大多需要至少2個(gè)不同位置的參考聲源，而且部分方法是基于平面波遠(yuǎn)場(chǎng)條件下實(shí)現(xiàn)的，需要設(shè)置的試驗(yàn)條件較苛刻。這里提出的陣形估計(jì)方法是屬于第二類方法，但相比于目前常見(jiàn)的此類其他方法，本發(fā)明成果提出的方法只需要一個(gè)位置的參考聲源，而且不需要考慮聲源相對(duì)于基陣的近場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng)條件，算法實(shí)現(xiàn)也比較簡(jiǎn)單，估計(jì)性能相比于一般方法要好。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種利用合作聲源信息的陣形估計(jì)方法，提供了一種利用合作聲源信息的陣形估計(jì)技術(shù)，該方法是在陣元間距已知或者變化較小的條件下，通過(guò)位于近場(chǎng)或者遠(yuǎn)場(chǎng)的合作聲源在相對(duì)基陣的某一方位角發(fā)射一次信號(hào)，即可基于各陣元接收信號(hào)的時(shí)延特性估計(jì)出接收陣陣形。

本發(fā)明的目的是通過(guò)如下技術(shù)方案來(lái)完成的。這種利用合作聲源信息的陣形估計(jì)方法，該方法主要包括以下步驟：

(1)測(cè)量合作聲源位置信息：將導(dǎo)引聲源移動(dòng)到一個(gè)能夠達(dá)到相對(duì)較佳效果的測(cè)量區(qū)域，通過(guò)GPS測(cè)量出導(dǎo)引聲源及拖曳基陣首陣元的位置信息，進(jìn)而推出聲源相對(duì)于首陣元的距離及在大地坐標(biāo)系下的相對(duì)角；

(2)接收合作聲源發(fā)射信號(hào)，并計(jì)算出各陣元接收信號(hào)的時(shí)延信息：聲源發(fā)射一次導(dǎo)引信號(hào)，接收陣將接收信號(hào)與發(fā)射拷貝信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理，并通過(guò)峰值搜索和線性擬合方法提取出時(shí)延信息；

(3)基于聲源位置信息和陣元間時(shí)延信息遞推解算陣列陣元位置：將第一步中測(cè)量得到的聲源位置信息與第二步中估計(jì)出的時(shí)延參量作為初值輸入代入陣形估計(jì)算法中，進(jìn)而估計(jì)出各陣元相對(duì)大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置參量，整合所有陣元的估計(jì)位置參量即完成了陣形的估計(jì)。

更進(jìn)一步的，將時(shí)延參量估計(jì)值與轉(zhuǎn)換后的GPS測(cè)量的角度與距離信息分別代入陣形估計(jì)算法中，輸出得到各陣元的坐標(biāo)位置值，迭代陣形估計(jì)算法表示為：

其中表示第i+1陣元相對(duì)于第i陣元的相對(duì)偏向角，d表示陣元間距；L_i、θ_i分別表示聲源距離第i陣元的距離及相對(duì)角度，初值距離與相對(duì)角通過(guò)GPS測(cè)量得到。

本發(fā)明的有益效果為：基于陣元位置參量及合作聲源位置信息，可以得到與時(shí)延相應(yīng)的正向模型，在已知合作聲源信息和接收陣數(shù)據(jù)的前提下，求解估計(jì)陣形就是一個(gè)逆問(wèn)題求解，通過(guò)設(shè)計(jì)出的遞歸算法可以得到陣形位置的解析解。相比于目前常見(jiàn)的利用合作聲源估計(jì)陣形方法，本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單、對(duì)條件約束較小、算法運(yùn)行效率高且陣形估計(jì)性能可靠。

附圖說(shuō)明

圖1是陣形測(cè)量實(shí)現(xiàn)流程示意圖；

圖2是陣形估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差與聲源-基陣相對(duì)角/距離之間關(guān)系；

圖3是聲源距離為4km，陣形估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差與陣元間距畸變程度/聲源-基陣相對(duì)角之間關(guān)系示意圖；

圖4分別給出了第一個(gè)湖試數(shù)據(jù)處理的各通道匹配濾波輸出及峰值搜索后線性擬合得到時(shí)延曲線；

圖5分別給出了針對(duì)圖4湖試數(shù)據(jù)利用航向傳感器得到的經(jīng)驗(yàn)陣形和基于迭代算法的陣形估計(jì)結(jié)果。

圖6分別給出了針對(duì)圖4湖試數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于利用航向傳感器得到的經(jīng)驗(yàn)陣形、基于迭代算法估計(jì)陣形得到的空間譜結(jié)果。

圖7分別給出了第二個(gè)湖試數(shù)據(jù)處理的各通道匹配濾波輸出及峰值搜索后線性擬合得到時(shí)延曲線；

圖8分別給出了針對(duì)圖7湖試數(shù)據(jù)利用航向傳感器得到的經(jīng)驗(yàn)陣形和基于迭代算法的陣形估計(jì)結(jié)果。

圖9分別給出了針對(duì)圖7湖試數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于利用航向傳感器得到的經(jīng)驗(yàn)陣形、基于迭代算法估計(jì)陣形得到的空間譜結(jié)果。

圖10給出了該發(fā)明成果算法的原理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的介紹：

本發(fā)明所述的這種利用合作聲源信息的陣形估計(jì)方法，該方法主要包括以下步驟：

(1)測(cè)量合作聲源位置信息：將導(dǎo)引聲源移動(dòng)到一個(gè)能夠達(dá)到相對(duì)較佳效果的測(cè)量區(qū)域，通過(guò)GPS測(cè)量出導(dǎo)引聲源及拖曳基陣首陣元的位置信息，進(jìn)而推出聲源相對(duì)于首陣元的距離及在大地坐標(biāo)系下的相對(duì)角；

(2)接收合作聲源發(fā)射信號(hào)，并計(jì)算出各陣元接收信號(hào)的時(shí)延信息：聲源發(fā)射一次導(dǎo)引信號(hào)，接收陣將接收信號(hào)與發(fā)射拷貝信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理，并通過(guò)峰值搜索和線性擬合方法提取出時(shí)延信息；

(3)基于聲源位置信息和陣元間時(shí)延信息遞推解算陣列陣元位置：將第一步中測(cè)量得到的聲源位置信息與第二步中估計(jì)出的時(shí)延參量作為初值輸入代入陣形估計(jì)算法中，進(jìn)而估計(jì)出各陣元相對(duì)大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置參量，整合所有陣元的估計(jì)位置參量即完成了陣形的估計(jì)。

圖1給出了所提陣形估計(jì)方法通用的處理流程，通過(guò)聲源在某位置和某時(shí)刻(GPS記錄)發(fā)射短脈沖信號(hào)，從基陣接收的數(shù)據(jù)中截取完整的到達(dá)信號(hào)并對(duì)各通道進(jìn)行匹配濾波處理，將處理后的各通道結(jié)果進(jìn)行峰值搜索，得到相應(yīng)的相對(duì)時(shí)延值，將時(shí)延參量與GPS記錄下的聲源坐標(biāo)信息和首陣元坐標(biāo)信息帶入到數(shù)值算法中來(lái)估計(jì)出陣形。

圖2給出了遞歸算法的陣形估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差與聲源-基陣相對(duì)角/距離之間關(guān)系，其中估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差的表達(dá)式為：

圖3給出了聲源距離為2km，基于本成果中遞歸算法的陣形估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差與陣元間距畸變程度/聲源-基陣相對(duì)角之間關(guān)系，其陣元間距畸變程度是通過(guò)陣形彎曲角度反映的?？梢钥闯鲭S著陣形彎曲程度的增加，估計(jì)誤差逐漸增大，且具有可有效觀測(cè)角度范圍逐漸向正橫角度附近縮減。

圖4中：湖試數(shù)據(jù)處理1:(a)各通道匹配濾波輸出；(b)峰值搜索后線性擬合得到時(shí)延曲線；其中發(fā)射聲源信號(hào)為頻帶為375Hz-625Hz，脈寬為1秒的雙曲調(diào)頻信號(hào)，接收基陣由兩條分別為64元基陣構(gòu)成的近似平行的雙線陣。

圖5中：湖試數(shù)據(jù)處理1:(a)經(jīng)驗(yàn)上的雙陣陣形；(b)基于遞歸算法估計(jì)出的雙陣陣形；

圖6中：湖試數(shù)據(jù)處理1:分別針對(duì)由航向傳感器得到的經(jīng)驗(yàn)陣形和基于遞歸算法估計(jì)陣形得到的空間譜結(jié)果；

圖7中：湖試數(shù)據(jù)處理2:(a)各通道匹配濾波輸出；(b)峰值搜索后線性擬合得到時(shí)延曲線；其中發(fā)射聲源信號(hào)為頻帶為375Hz-625Hz，脈寬為1秒的雙曲調(diào)頻信號(hào)，接收基陣為由兩條分別為64元基陣構(gòu)成的有一定夾角的雙線陣。

圖8中：湖試數(shù)據(jù)處理2:(a)經(jīng)驗(yàn)上的雙陣陣形；(b)基于遞歸算法估計(jì)出的雙陣陣形。

圖9中：湖試數(shù)據(jù)處理2:分別針對(duì)由航向傳感器得到的經(jīng)驗(yàn)陣形和基于遞歸算法估計(jì)陣形得到的空間譜結(jié)果。

具體步驟如下：

1、首先，結(jié)合圖2和圖3性能分析結(jié)果對(duì)于所提陣形測(cè)量方法需要將聲源與基陣之間的觀測(cè)角度設(shè)定在一定范圍內(nèi)，同時(shí)結(jié)合實(shí)際可以達(dá)到的聲源級(jí)，考慮傳播損失與帶寬增益的基礎(chǔ)上，選定一個(gè)合理的觀測(cè)距離與發(fā)射頻帶，同時(shí)，由于時(shí)延分辨力與帶寬B成正比，需要滿足一個(gè)可分辨最小陣元間距的必要條件：因此在實(shí)際條件允許的情形下，優(yōu)先選擇帶寬較大的發(fā)射信號(hào)。在湖上兩次不同陣形下的陣形估計(jì)試驗(yàn)中，結(jié)合實(shí)際環(huán)境可滿足的條件下，選取的發(fā)射信號(hào)頻帶范圍均是375Hz-625Hz，預(yù)設(shè)定的聲源距接收陣距離范圍為0.8km-2km，角度范圍40deg-140deg。

2、其次，利用GPS測(cè)量合作聲源位置。在實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，當(dāng)聲源到就位點(diǎn)后間隔性地多次發(fā)射脈沖信號(hào)，考慮到GPS的測(cè)量誤差，需要每間隔一段時(shí)間對(duì)定點(diǎn)聲源的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，在算法處理中取其平均值。在湖上兩次不同陣形下的陣形估計(jì)試驗(yàn)中，由GPS測(cè)得數(shù)據(jù)得到的聲源相對(duì)于首陣元的位置信息(距離，角度)分別為(1063.1m，-102.9deg)和(1034.4m，-112.7deg)。

3、陣元接收信號(hào)時(shí)延參量估計(jì)。結(jié)合GPS記錄的時(shí)間信息，從基陣數(shù)據(jù)中截取完整的相應(yīng)時(shí)間段的脈沖接收信號(hào)。接著，將各通道信號(hào)分別于發(fā)射拷貝信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理，通過(guò)峰值搜索并分段線性擬合得到對(duì)應(yīng)的時(shí)延參量估計(jì)值，兩次湖上試驗(yàn)的處理結(jié)果分別如圖4和圖7所示。

4、將時(shí)延參量估計(jì)值與轉(zhuǎn)換后的GPS測(cè)量的角度與距離信息分別代入陣形估計(jì)算法中，輸出得到各陣元的坐標(biāo)位置值。其中，算法原理圖如圖10所示，迭代陣形估計(jì)算法表示為：

其中表示第i+1陣元相對(duì)于第i陣元的相對(duì)偏向角，d表示陣元間距；L_i、θ_i分別表示聲源距離第i陣元的距離及相對(duì)角度，初值距離與相對(duì)角通過(guò)GPS測(cè)量得到。該方法假定陣元間距值已知的條件，因而適用于基陣間距值相對(duì)較穩(wěn)定的情形。算法流程如下所示：

輸入初始參量：x₁，y₁，L₁，θ₁，Δτ₁

迭代計(jì)算：i＝1

輸出陣元坐標(biāo)：{x_i|i＝1,2,…,M}，{y_i|i＝1,2,…,M}

對(duì)應(yīng)于湖試數(shù)據(jù)一，兩陣基本處于平行狀態(tài)，如圖5所示，其中圖5(a)為結(jié)合陣中心航向傳感器數(shù)據(jù)信息及GPS測(cè)得首末陣元的位置信息給出的理想情形下的先驗(yàn)陣形；圖5(b)為用所提出的陣形估計(jì)方法估計(jì)得到的陣形。圖6給出了分別采用圖5(a)先驗(yàn)陣形和圖5(b)算法估計(jì)陣形得到的相應(yīng)的空間譜，其中參考聲源的方位信息和左右舷能量差記錄在表(1)中。

對(duì)應(yīng)于湖試數(shù)據(jù)二，將基陣1末端位置移動(dòng)，使基陣1偏離基陣2大約10deg左右，如圖8所示，其中圖8(a)為結(jié)合陣中心航向傳感器數(shù)據(jù)信息及GPS測(cè)得首末陣元的位置信息給出的理想情形下的先驗(yàn)陣形；圖8(b)為用所提出的陣形估計(jì)方法估計(jì)得到的陣形。圖9給出了分別采用圖8(a)先驗(yàn)陣形和圖8(b)算法估計(jì)陣形得到的相應(yīng)的空間譜，其中參考聲源的方位信息和左右舷能量差也記錄在表(1)中。

由表1比較兩次試驗(yàn)處理結(jié)果可以得到這樣的結(jié)論：通過(guò)提出的陣形估計(jì)方法估計(jì)出的陣形與先驗(yàn)陣形的趨勢(shì)基本吻合。相比于先驗(yàn)陣形，該方法估計(jì)得到陣形與實(shí)際情形下的陣形更匹配，因而在空間譜輸出上具有更好的左右舷分辨能力。

表1是湖試數(shù)據(jù)處理結(jié)果比較

可以理解的是，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案及發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。