本發(fā)明屬于矢量陣列信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其涉及一種二維矢量陣陣元姿態(tài)誤差校正方法。

背景技術(shù)：

矢量水聽(tīng)器具有與頻率無(wú)關(guān)的指向性特點(diǎn)使得單矢量水聽(tīng)器就可以獲得一定的空間處理增益并完成對(duì)目標(biāo)的方位估計(jì)，矢量陣因結(jié)合了陣列可以獲得更多空間處理增益和矢量指向性的雙重特點(diǎn)，與單聲壓陣相比具有可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的左右舷分辨，獲得更高的信號(hào)處理增益，可實(shí)現(xiàn)空間降采樣增大基陣孔徑提高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，使得其在岸基聲納、拖曳陣聲納等方面具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而成為國(guó)內(nèi)外諸多新型聲納的發(fā)展趨勢(shì)。理想條件下，同等陣元數(shù)的矢量陣比聲壓陣列具有更高的信號(hào)處理增益和更窄的波束。但是矢量陣的理想陣列流型保證更為困難，除了要對(duì)幅相誤差、陣元位置誤差校正外，矢量水聽(tīng)器陣元的姿態(tài)誤差也會(huì)對(duì)矢量陣的信號(hào)處理性能帶來(lái)影響。聲場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)振速為矢量，具有方向性，陣元姿態(tài)誤差只對(duì)它有影響，對(duì)聲壓通道沒(méi)有影響，當(dāng)陣元姿態(tài)存在誤差且無(wú)法準(zhǔn)確地獲取陣元的姿態(tài)信息時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振速分量就不能再被利用，這樣矢量陣相對(duì)于標(biāo)量陣的優(yōu)勢(shì)也就不復(fù)存在，因此，對(duì)矢量陣陣元姿態(tài)誤差進(jìn)行測(cè)量和校正是十分必要的。

為了保證矢量陣信號(hào)處理的性能，往往需要對(duì)實(shí)際矢量陣的陣列流型進(jìn)行測(cè)量和校正，影響矢量陣陣列流型誤差的因素有：各通道的幅相誤差，陣元位置誤差以及陣元姿態(tài)誤差等。這里給出了一種針對(duì)二維矢量陣的矢量水聽(tīng)器陣元姿態(tài)誤差測(cè)量和校正方法。

出自聲學(xué)技術(shù).2009，28(2)的文獻(xiàn)《單輔助源矢量陣相位誤差校正方法》研究了一種單輔助源矢量陣相位誤差校正方法。該方法是當(dāng)陣列僅存在與聲源方位無(wú)關(guān)的誤差形式時(shí)，通過(guò)設(shè)置方位精確已知的輔助聲源來(lái)對(duì)相位誤差進(jìn)行校正的一種行之有效的方法。該方法利用輔助源與基陣之間相對(duì)空間位置的先驗(yàn)知識(shí)，首先消除所在象限及復(fù)阻抗所引起的相位影響，繼而實(shí)施修改陣列流型后的改進(jìn)的單輔助源相位校正算法，最后查找參考陣元處聲壓通道和振速通道間的相位差。是一種針對(duì)矢量陣相位誤差校正方法，不適用于矢量陣陣元姿態(tài)誤差校正。

出自應(yīng)用聲學(xué).2015，34(5)的文獻(xiàn)《聲矢量陣陣元位置及幅相誤差有源校正算法》針對(duì)聲矢量陣幅相誤差及陣元位置誤差校正問(wèn)題，基于特征分解法，提出一種簡(jiǎn)單實(shí)用的有源校正算法。該方法需要合作信源的至少3個(gè)方位信息，根據(jù)聲矢量陣的通道特征，利用特征分解法構(gòu)造矩陣方程組，通過(guò)矩陣運(yùn)算得到聲矢量陣陣元位置和幅相誤差參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聲矢量陣的校正。是一種幅相誤差校正方法。

出自兵工學(xué)報(bào).2014，35(8)的文獻(xiàn)《聲矢量陣陣元姿態(tài)誤差自校正算法研究》分析了陣元姿態(tài)誤差對(duì)聲矢量陣波束圖的影響。并提出了一種結(jié)合music算法的聲矢量陣陣元姿態(tài)誤差自校正算法。當(dāng)陣元姿態(tài)角度誤差服從高斯分布時(shí)，通過(guò)非線性迭代使目標(biāo)函數(shù)最小化，從而實(shí)現(xiàn)陣元姿態(tài)誤差參數(shù)和信源波達(dá)方向(doa)的聯(lián)合估計(jì)。該方法是一種無(wú)源校正方法，適用于陣元數(shù)目遠(yuǎn)大于各陣元姿態(tài)誤差的均值和標(biāo)準(zhǔn)差的情況。對(duì)于陣元姿態(tài)誤差較大的情況迭代時(shí)間會(huì)迅速增加，甚至導(dǎo)致不收斂的情況。

出自ieeetransona.p.2000,48(5)的文獻(xiàn)《closed-formdirectionfindingandpolarizationestimationwitharbitrarilyspacedelectromagneticvector-sensorsatunknownlocations》提出利用三個(gè)到達(dá)方向已知的校正源來(lái)校正陣元的方向誤差的方法。出自數(shù)據(jù)采集與處理.2009，24(3)的文獻(xiàn)《矢量天線陣元方向不一致的誤差校正》利用三個(gè)參量未知的信號(hào)源來(lái)校正陣列排列方向不一致引起的方向誤差。以上兩種方法需要的校正源個(gè)數(shù)較多，實(shí)驗(yàn)組織較復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是公開(kāi)一種解決矢量陣陣元姿態(tài)誤差測(cè)量和校正問(wèn)題的二維矢量陣陣元姿態(tài)誤差校正方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，包含如下步驟：

(1)利用艦船充當(dāng)寬帶聲源目標(biāo)，即目標(biāo)源，按照直線航行的方式通過(guò)矢量陣的端射方向；

(2)利用矢量陣的聲壓通道數(shù)據(jù)進(jìn)行波束形成，測(cè)得目標(biāo)源直線航行時(shí)相對(duì)于聲壓陣的方位隨時(shí)間的變化值θ(t)；

(3)根據(jù)目標(biāo)源相對(duì)于聲壓陣的方位隨時(shí)間的變化值θ(t)計(jì)算目標(biāo)源過(guò)陣端射方向時(shí)刻t0及過(guò)陣端射方向角度θ(t0)；

(4)根據(jù)目標(biāo)源過(guò)陣端射方向角度θ(t0)計(jì)算目標(biāo)源在過(guò)陣時(shí)刻相對(duì)于陣列在水平面的投影方位θ0，θ0只能為0°或者180°；

(5)利用m個(gè)二維矢量水聽(tīng)器對(duì)目標(biāo)源進(jìn)行方位估計(jì)，得到目標(biāo)源相對(duì)于各二維矢量水聽(tīng)器的方位隨時(shí)間變化值θi(t)，i為矢量水聽(tīng)器序號(hào)，值為1、2…m，m為矢量陣的陣元個(gè)數(shù)；

(6)根據(jù)目標(biāo)源過(guò)陣端射方向時(shí)刻t0計(jì)算各個(gè)二維矢量水聽(tīng)器在該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的方位θi(t0)；

(7)根據(jù)目標(biāo)源過(guò)陣端射方向角度θ(t0)與各個(gè)矢量水聽(tīng)器在該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的方位θi(t0)，得到矢量陣的各個(gè)陣元姿態(tài)誤差δθi；

(8)利用電子旋轉(zhuǎn)對(duì)矢量陣的各個(gè)陣元姿態(tài)誤差δθi進(jìn)行校正，得到校正后的x軸振速通道信號(hào)vxi(t)及y軸振速通道信號(hào)vyi(t)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果有：

本發(fā)明的可校正的陣元姿態(tài)誤差角度范圍更大，可實(shí)現(xiàn)對(duì)0～360°任意角度的陣元姿態(tài)誤差測(cè)量和校正，僅需要一個(gè)校正源，且不需要特定的聲源設(shè)備，可以直接利用測(cè)量艦船航行過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲充當(dāng)測(cè)量過(guò)程中的聲源，按照既定航線直線通過(guò)陣列端射方向即可，不需要精確掌握船只的位置信息和記錄航線，因此不需要gps等輔助設(shè)備參與，僅需利用信號(hào)處理方法判斷過(guò)陣時(shí)刻即可，測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單。

附圖說(shuō)明

圖1是一種二維矢量陣陣元姿態(tài)誤差校正方法的框圖；

圖2是實(shí)驗(yàn)測(cè)量方式示意圖；

圖3是m元二維矢量陣各個(gè)陣元姿態(tài)誤差二維平面示意圖；

圖4是聲壓陣方位測(cè)量目標(biāo)源過(guò)陣時(shí)刻的幾何示意圖；

圖5是聲壓陣獲得的方位時(shí)間歷程圖；

圖6是聲壓陣獲得的目標(biāo)源方位隨時(shí)間變化圖；

圖7是第1個(gè)二維矢量水聽(tīng)器測(cè)得的時(shí)間方位歷程圖；

圖8是第1個(gè)二維矢量水聽(tīng)器測(cè)得的方位隨時(shí)間變化圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

設(shè)有m元矢量陣直線陣，m為矢量陣的陣元個(gè)數(shù)，各個(gè)基元矢量水聽(tīng)器為二維矢量水聽(tīng)器，可以獲得聲壓信號(hào)和二維振速信號(hào)，m個(gè)聲壓信號(hào)組成聲壓陣，則第i個(gè)矢量水聽(tīng)器聲壓通道信號(hào)pi(t)，xi’軸振速通道信號(hào)vxi(t)和yi’軸振速通道信號(hào)vyi(t)。如圖3，聲場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)振速為矢量，具有方向性，通常情況下，要保證矢量陣的各個(gè)矢量水聽(tīng)器的振速通道xi’軸與直線陣列x軸方向一致，則yi’軸要與陣列方向相垂直，即與y軸相垂直。

一種二維矢量陣陣元姿態(tài)誤差校正方法，包含如下步驟：

(1)利用艦船充當(dāng)寬帶聲源目標(biāo)，即目標(biāo)源，按照直線航行的方式通過(guò)矢量陣的端射方向：

如圖2，首先，實(shí)驗(yàn)船按照既定航線直線通過(guò)陣列端射方向，可采用圖中示意的任意一種目標(biāo)航線，不需要精確掌握船只的位置信息和記錄航線，僅需要船只以一個(gè)既定距離直線通過(guò)陣列的端射方向即可，通過(guò)陣列端射方向時(shí)距離陣列端射方向最近水平距離r0的取值范圍為1千米到3千米。航向角α取值范圍為60°～120°或者240°～300°。

(2)利用矢量陣的聲壓通道數(shù)據(jù)進(jìn)行波束形成，測(cè)得目標(biāo)源直線航行時(shí)相對(duì)于聲壓陣的方位隨時(shí)間的變化值θ(t)：

如圖4，采用波束形成，如常規(guī)波束形成，自適應(yīng)波束形成，music波束形成，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中目標(biāo)源相對(duì)于聲壓陣的方位隨時(shí)間的變化值θ(t)進(jìn)行測(cè)量，t代表時(shí)間，測(cè)得的是一組不同時(shí)刻的方位。如圖5和圖6所示的結(jié)果是一組在陣列0°端射方向通過(guò)，航向角α為90°，海深100m距離陣端射方向水平通過(guò)距離r0為2km的相對(duì)于聲壓陣的方位隨時(shí)間的變化值θ(t)測(cè)量結(jié)果，每個(gè)時(shí)刻取最大值得到的目標(biāo)源方位隨時(shí)間變化值結(jié)果，是一條方位隨時(shí)間變化的曲線。

(3)根據(jù)目標(biāo)源相對(duì)于聲壓陣的方位隨時(shí)間的變化值θ(t)計(jì)算目標(biāo)源過(guò)陣端射方向時(shí)刻t0及過(guò)陣端射方向角度θ(t0)：

目標(biāo)源直線航行時(shí)相對(duì)于聲壓陣的方位隨時(shí)間變化值θ(t)是一條曲線，如圖6，曲線會(huì)有一個(gè)彎曲的極值點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為目標(biāo)源過(guò)陣端射方向時(shí)刻t0，此時(shí)對(duì)應(yīng)的方位為目標(biāo)源過(guò)陣端射方向角度θ(t0)。如果目標(biāo)源的陣列在同一深度平面時(shí)該值應(yīng)為0°即在陣x軸正向過(guò)陣或者180°即在陣x軸負(fù)向過(guò)陣，而實(shí)際應(yīng)用中，陣列往往跟測(cè)量船目標(biāo)源不在同一深度，陣列會(huì)深于目標(biāo)源深度，三維示意圖如圖4所示。此時(shí)，θ(t0)的值無(wú)法達(dá)到0°或者180°，那么確定過(guò)陣端射方向時(shí)刻t0及過(guò)陣端射方向角度θ(t0)的具體方法為：如果曲線向大于90°的角度方向彎曲則取角度極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為過(guò)陣端射方向時(shí)刻t0，取角度的極大值為過(guò)陣端射方向角度θ(t0)；如果曲線向小于90°的角度方向彎曲則取角度極小值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為過(guò)陣端射方向時(shí)刻t0，取角度的極小值為過(guò)陣端射方向角度θ(t0)。

(4)根據(jù)目標(biāo)源過(guò)陣端射方向角度θ(t0)計(jì)算目標(biāo)源在過(guò)陣時(shí)刻相對(duì)于陣列在水平面的投影方位θ0，θ0只能為0°或者180°；如果θ(t0)大于90°，則θ0取180°；如果角度θ(t0)值小于90°則θ0取0°。

(5)利用m個(gè)二維矢量水聽(tīng)器對(duì)目標(biāo)源進(jìn)行方位估計(jì)，得到目標(biāo)源相對(duì)于各二維矢量水聽(tīng)器的方位隨時(shí)間變化值θi(t)，i為矢量水聽(tīng)器序號(hào)，值為1、2…m，m為矢量陣的陣元個(gè)數(shù)：

設(shè)第i個(gè)矢量水聽(tīng)器測(cè)得的聲壓通道信號(hào)為pi(t)，xi’軸振速通道信號(hào)vxi(t)和yi’軸振速通道信號(hào)vyi(t)，t為時(shí)間。ixi(t)、iyi(t)為xi’軸方向和yi’軸方向的聲強(qiáng)流。計(jì)算公式如下：

“<>”表示求幾何平均，“-”表示求解時(shí)間平均，對(duì)于各態(tài)歷經(jīng)過(guò)程可用時(shí)間平均代替幾何平均求解，目標(biāo)源相對(duì)于各二維矢量水聽(tīng)器的方位隨時(shí)間變化值θi(t)由下述公式給出：

上述方式僅為一種方位估計(jì)方法。實(shí)際方位估計(jì)并不僅僅限于這一種方法，也可選擇其它方法。例如互譜直方圖統(tǒng)計(jì)方法等矢量方位估計(jì)方法。

圖7是第1個(gè)二維矢量水聽(tīng)器測(cè)得的時(shí)間方位歷程圖；圖8是第1個(gè)二維矢量水聽(tīng)器測(cè)得的方位隨時(shí)間變化圖；圖7、圖8的條件與獲得圖5和圖6時(shí)設(shè)定的基本假設(shè)條件相同，假設(shè)1號(hào)陣元的安裝姿態(tài)誤差為313°。圖8是圖7每個(gè)時(shí)刻目標(biāo)源對(duì)應(yīng)的方位提取的結(jié)果，是一條方位時(shí)間曲線，即1號(hào)二維矢量水聽(tīng)器的方位隨時(shí)間變化值θ1(t)。

(6)根據(jù)目標(biāo)源過(guò)陣端射方向時(shí)刻t0計(jì)算各個(gè)二維矢量水聽(tīng)器在該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的方位θi(t0)，即將時(shí)間t0代入θi(t)得到θi(t0)值；

如圖8，在t0為100s的時(shí)刻獲得的1號(hào)二維矢量水聽(tīng)器的方位隨時(shí)間變化值θ1(t0)為47°。

(7)根據(jù)目標(biāo)源過(guò)陣端射方向角度θ(t0)與各個(gè)矢量水聽(tīng)器在該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的方位θi(t0)，得到矢量陣的各個(gè)陣元姿態(tài)誤差δθi：

δθi＝f(θ0-θi(t0))360。

f()360表示對(duì)360°求余數(shù)。

如圖6和圖8，在這兩幅圖的預(yù)設(shè)仿真條件下測(cè)得的1號(hào)二維矢量水聽(tīng)器安裝姿態(tài)誤差δθ1的測(cè)量結(jié)果為313°，與預(yù)設(shè)值一致?？砂凑詹襟E5到步驟7的步驟重復(fù)執(zhí)行m次，即可獲得全部m個(gè)陣元的安裝姿態(tài)誤差值。

(8)利用電子旋轉(zhuǎn)對(duì)矢量陣的各個(gè)陣元姿態(tài)誤差δθi進(jìn)行校正，得到校正后的x軸振速通道信號(hào)vxi(t)及y軸振速通道信號(hào)vyi(t)：

這里必須指出的是，本發(fā)明給出的其他未說(shuō)明的部分都是為本領(lǐng)域人員公知的，根據(jù)本發(fā)明所述的名稱或功能，本領(lǐng)域技術(shù)人員就能夠找到相關(guān)記載的文獻(xiàn)，因此未進(jìn)一步說(shuō)明。