基于線陣綜合聲速補(bǔ)償?shù)慕鼒霾ㄟ_(dá)方向估計方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及目標(biāo)定位的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種基于線陣綜合聲速補(bǔ)償?shù)慕鼒霾?達(dá)方向估計方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 目標(biāo)定位的方法有很多，針對不同應(yīng)用場景有不同的定位方法。在陸地上，一般采 用衛(wèi)星定位系統(tǒng)、雷達(dá)等技術(shù)來定位目標(biāo)。但是對于廣闊的江河、海洋等水領(lǐng)域下，由于電 磁波在水下衰減嚴(yán)重，而聲波是水下傳播最遠(yuǎn)的輻射形式。所以一般采用聲吶技術(shù)來定位 目標(biāo)。根據(jù)收發(fā)方式的不同，水聲定位系統(tǒng)分為主動式探測和被動式探測。目前主要有三種 方法：一、基于波束形成的定位方法，這類方法對陣列接收的聲波信號濾波、加權(quán)求和，調(diào)節(jié) 接收陣列的方向，并在整個接收空間掃描，具有最大能量的方向就是目標(biāo)的方位角；二、基 于時延估計的定位方法，這類方法先計算聲源分別到達(dá)陣列上兩個陣元的時間差，然后再 結(jié)合陣列的幾何結(jié)構(gòu)估計出聲源的位置；三、基于高分辨率的空間譜估計方法，這類算法應(yīng) 用廣，分辨率高，它基本思想是對陣列接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解，劃分為兩個相互 正交的子空間：信號子空間和噪聲子空間，最后進(jìn)行譜峰搜索確定方位角。但是現(xiàn)有的近場 波達(dá)方向（簡稱：D0A)估計算法中，如經(jīng)典MUSIC算法，均采用聲速在每條聲傳播路徑上都 是相同的，即具有相同的波長的假設(shè)，忽略了水流等實際環(huán)境因素對聲音傳播速度的影響， 在復(fù)雜的水流環(huán)境下易產(chǎn)生較大的探測誤差。
[0003] 為了實現(xiàn)高精度探測定位，本專利考慮每一條傳播路徑上的水流速分量的影響， 將感知的水流速用于補(bǔ)償靜止水流時的聲速，形成空變綜合聲速，研宄一種基于線陣綜合 聲速補(bǔ)償?shù)慕鼒鯠0A估計方法。
[0004] 因此，人們需要一種基于線陣綜合聲速補(bǔ)償?shù)慕鼒霾ㄟ_(dá)方向估計方法及裝置來 滿足需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于線陣綜合聲速補(bǔ)償?shù)慕鼒?波達(dá)方向估計方法及裝置，可實現(xiàn)精準(zhǔn)、快速定位，實用性高。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案其基于線陣綜合聲速補(bǔ)償?shù)慕鼒霾ㄟ_(dá) 方向估計方法，包括以下步驟：
[0007] 1)推導(dǎo)綜合聲速補(bǔ)償?shù)慕鼒霾ㄟ_(dá)方向估計模型
[0008] 模型場景中有一均勻直線陣，有M個接收陣元，陣元間間距為d，被動式探測，有 K個目標(biāo)聲源Si，S2，…，SK為點源，頻率為f，目標(biāo)對應(yīng)的方位角及距離參數(shù)分別為（0p A)，（02，r2)，…，（0K，rK)，其中0i是聲源陣列的參考點之間的連線與陣元所在直線 之間的夾角，9mi是聲源Si與第m個陣元之間的連線與陣元所在直線之間的夾角，dm是第 m個陣元與參考點之間的距離，ri是聲源Si與陣列參考點之間的距離，i= 1，2,…，K;設(shè)水 流方向與陣元所在直線之間的夾角為a，水流速度為vwatOT，聲音在靜止的水流中的速度設(shè) 為V ;對模型詳細(xì)推導(dǎo)如下：
[0009] 1. 1)第i個聲源到第m個陣元的距離為：
[0011] 其中，dm= [m_(M+l)/2]d ;
[0012] 1. 2)聲源Si與第m個陣元之間的連線與陣元所在直線之間的夾角0 mi為：
[0014] 1. 3)根據(jù)幾何關(guān)系，可以求得第i個聲源Si到達(dá)陣元參考點與到達(dá)第m個陣元所 需的時間之差Tmi，求得：
[0017]因此，時間差Tmi可以這樣表達(dá)：
[0019] 1.4)對于K個聲源信號，第m個陣元所接收到的全部信號為：
[0021] 其中，叫（〇是接收第i個聲源時的噪聲，a時是幅度衰減參數(shù)，且
[0023] 1. 5)由上述四步可以得出整個陣列第t個時刻的接收信號為：
[0024] X(t) = AS(t)+N(t)
[0025] 其中，陣列流形矩陣i
[0026] 2)在步驟1)推導(dǎo)的模型下具體近場波達(dá)方向估計方法估計出方位角和距離位置 參數(shù)，定位目標(biāo)，詳細(xì)步驟如下：
[0027] 2. 1)對接收M陣源的陣列信號做L次的快拍采樣，得到MX L維的數(shù)據(jù)矩陣X;
[0028] 2. 2)利用最大似然估計，計算出數(shù)據(jù)X協(xié)方差矩陣為：
[0029]Rx=XXh/L
[0030] 2. 3)對數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣艮進(jìn)行特征值分解，得到M個特征值入= 1，...，M)和 相對應(yīng)的特征矢量ei:
[0031] Rxei=入々，i = 1，2,…，M
[0032] 2. 4)劃分信號子空間和噪聲子空間，對艮的特征值進(jìn)行升序排列 {44，…，4,4+1，…，4}，即…>4，其前k個小特征值允12，…，4對應(yīng)的特征 矢量組成信號子空間％ =叵,§2，…,^]，后m-k個大特征值if+15...對應(yīng)的特征矢 量組成噪聲子空間％ =[^+1，…，U;
[0033] 2. 5)構(gòu)造新模型下的新的空間譜函數(shù)，即構(gòu)造步驟1)推導(dǎo)的近場波達(dá)方向估計 模型的空間譜函數(shù)，因為新模型是有考慮到水流速度的影響，所以求出的時間差Tmi與傳 統(tǒng)模型有所不同，也就使得新模型下所求得的陣列流形矩陣A自然與傳統(tǒng)理想場景的A有 所不同的，也即新模型下會有新的空間譜函數(shù)，對于第i個聲源，新的空間譜函數(shù)為：
[0035] 其中a( 0 i，ri)是導(dǎo)向矢量，即陣列流形矩陣A的列矢量；
[0037] 2. 6)進(jìn)行方向和距離聯(lián)合二維譜峰搜索，確定第K個聲源的方向和距離信息：
[0038]
[0039] 本發(fā)明所述的基于線陣綜合聲速補(bǔ)償?shù)慕鼒霾ㄟ_(dá)方向估計裝置，包括控制模塊、 發(fā)射模塊、接收模塊、處理模塊、顯示模塊、無線通信模塊，其中：
[0040] 所述控制模塊，分別與發(fā)射模塊、接收模塊、處理模塊、顯示模塊，無線通信模塊相 連，用于對各個模塊進(jìn)行控制；
[0041] 所述發(fā)射模塊，與控制模塊相連，根據(jù)控制模塊的指令，進(jìn)行超聲發(fā)射；
[0042] 所述接收模塊，分別與控制模塊、處理模塊相連，根據(jù)控制模塊的指令，接收目標(biāo) 聲源信號并傳送給處理模塊；
[0043] 所述處理模塊，分別與控制模塊、接收模塊、顯示模塊相連，根據(jù)控制模塊的指令 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其通過對接收信號進(jìn)行分析，運(yùn)用相關(guān)算法計算出目標(biāo)的距離和方位角位 置參數(shù)；
[0044] 所述顯示模塊，分別與控制模塊、處理模塊相連，提供人機(jī)交互界面，供用戶輸入 設(shè)定參數(shù)，并根據(jù)控制模塊的指令，將處理模塊計算出的目標(biāo)位置參數(shù)顯示出來；
[0045] 所述無線通信模塊，與控制模塊相連，提供水下與船舶或陸地之間數(shù)據(jù)傳送的功 能。
[0046] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點與有益效果：
[0047] 1、本發(fā)明相對傳統(tǒng)的水下目標(biāo)定位方法更具有實用性，精度高。傳統(tǒng)的方法在每 一條傳播路徑上都使用了相同的聲速，忽略了水流影響導(dǎo)致的綜合聲速的改變，在復(fù)雜的 水流環(huán)境下會產(chǎn)生較大的誤差，定位精度不高，不具有實用性，而本發(fā)明方法采用的是綜合 的空變聲速，考慮到水流速的補(bǔ)償，具有實用性和高精度的定位。
[0048] 2、本發(fā)明是在改進(jìn)傳統(tǒng)方法的前提下，算法復(fù)雜度與傳統(tǒng)方法相當(dāng)。因為估計算 法仍舊可以采用各種經(jīng)典的波達(dá)方向估計算法，算法的復(fù)雜度與傳統(tǒng)的波達(dá)方向估計方法 相當(dāng)。
[0049] 3、本發(fā)明裝置可行性強(qiáng)、安裝簡單。利用測水流速的應(yīng)用已經(jīng)很廣泛，技術(shù)相當(dāng)成 熟，而且，本發(fā)明使用的處理器等芯片，集成度高，計算能力強(qiáng)大，保證了本發(fā)明的可行性。
【附圖說明】
[0050] 圖1為本發(fā)明所述裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖。
[0051] 圖2為本發(fā)明所述方法的總體流程圖。
[0052] 圖3為本發(fā)明所述水下近場波達(dá)方向估計D0A模型示意圖。
[0053] 圖4為基于本發(fā)明所述模型的具體D0A方法流程圖。
[0054] 圖5為本發(fā)明所述裝置的總體結(jié)構(gòu)示意框圖。
[0055] 圖6為方向和距離聯(lián)合二維譜峰搜索流程圖。
【具體實施方式】
[0056] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0057] 本實施例所述的基于線陣綜合聲速補(bǔ)償?shù)慕鼒霾ㄟ_(dá)方向估計方法，總體流程如圖 2所示，包含以下兩大步驟，而每一大步驟均分子步驟實現(xiàn)，下面分別對這兩大步驟進(jìn)行詳 細(xì)說明：
[0058] 1)推導(dǎo)綜合聲速補(bǔ)償?shù)慕鼒霾ㄟ_(dá)方向估計模型
[0059] 在水下目標(biāo)定位實際應(yīng)用中，大多數(shù)情況都是基于近場模型的，此時聲源達(dá)到接 收陣列的信號應(yīng)該是球面波，考慮到有水流的影響，則近場D0A模型場景示意圖如圖3所 不〇
[0060] 模型場景中有一均勻直線陣，有M個接收陣元，陣元間間距為d，被動式探測，有 K個目標(biāo)聲源Si，S 2，…，SK為點源，頻率為f，目標(biāo)對應(yīng)的方位角及距離參數(shù)分別為（0 p A)，（92，r2)，…，（0K，rK)，其中0i是聲源陣列的參考點（這里選定為陣列中心）之 間的連線與陣元所在直線之間的夾角，0 mi是聲源S ,與第m個陣元之間的連線與陣元所在 直線之間的夾角，dm是第m個陣元與參考點之間的距離，ri是聲源Si與陣列參考點之間的 距離，i = 1，2,…，K ;設(shè)水流方向與陣元所在直線之間的夾角為a，水流速度為VwatOT，聲音 在靜止的水流中的速度設(shè)為V。對模型詳細(xì)推導(dǎo)如下：
[0061] 1. 1)第i個聲源到第m個陣元的距離為：
[0063] 其中，dm= [m_(M+l)/2]d ;
[0064] 1. 2)聲源Si與第m個陣元之間的連線與陣元所在直線之間的夾角0 mi為：
[0066] 1. 3)根據(jù)幾何關(guān)系，可以求得第i個聲源Si到達(dá)陣元參考點與到達(dá)第m個陣元所 需的時間之差Tmi，求得：
[0069] 因此，時間差tmi可以這樣表達(dá)：
[0071] 1.4)對于K個聲源信號，第m個陣元所接收到的全部信號為：
[0073] 其中，叫⑴是接收第i個聲源時的噪聲，a時是幅度衰減參數(shù)，且
[0075] 1. 5)由上述四步可以得出整個陣列第t個時刻的接收信號為：
[0076] X(t) = AS(t)+N(t)
[0077] 其中，陣列流形矩陣
[0078] 上述步驟詳細(xì)地推導(dǎo)了一種考慮水流影響的近場波達(dá)方向估計D0A模型，可以發(fā) 現(xiàn)新場景下陣列流形矩陣A與傳統(tǒng)理想場景的A是有所不同的，原因是對于特定某個入射 角度9 i，考慮到水流速度在聲音在陣元參考點和陣元m兩條傳播路徑的投影分量的不同， 導(dǎo)致時間差Tmi的求解有所不同，新模型下所求得的陣列流形矩陣A自然與傳統(tǒng)理想場景 的A是有所不同的。因此，新建立的模型相對于傳統(tǒng)