一种利用合作声源信息的阵形估计方法技术

本发明专利技术提出了一种利用合作声源信息的阵形估计方法，属于声纳柔性基阵阵形估计领域。在已知单个合作声源信息的前提下，假定阵元间距变化范围较小，通过设计出的递归算法可以估计出相应的阵形位置参量。相比于目前常见的利用合作声源估计阵形方法，本发明专利技术方法实现相对简单、对条件约束较小、算法运行效率高且阵形估计性能可靠。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于声纳柔性基阵阵形估计领域，尤其涉及一种利用合作声源信息的阵形估计方法。
技术介绍
声纳的处理基础为阵处理，而阵处理获得良好性能的前提保障就是需要准确地掌握阵形信息。目前，用于远距离安静型目标探测的有效手段就是低频大孔径探测，然而，对于大孔径的拖曳线阵或者岸基阵，由于阵形失配带来对宽带警戒及后端的跟踪，关联和识别等处理模块的不利影响在实际应用中是普遍存在的，而且很大程度上降低了声纳的探测能力，出现漏报和虚警的概率大幅度提高，因此实时且无偏地估计声纳基阵阵形对声纳处理的重要性不言而喻。目前常见的阵形估计方法大致可以分为两大类：(1)基于航向传感器和深度传感器等传感器的数据进行阵形拟合；(2)利用合作声源的已知信息，采用信号处理的方法来估计阵形。前者实现方法相对简单，但是对传感器精度和稳定性要求较高，在实际中安装和维护成本也较高，而且通过目前实际数据显示的结果也不是很理想。后者方法实现的必要条件较多，而且过程相对复杂，目前常见的该方法例子中，大多需要至少2个不同位置的参考声源，而且部分方法是基于平面波远场条件下实现的，需要设置的试验条件较苛刻。这里提出的阵形估计方法是属于第二类方法，但相比于目前常见的此类其他方法，本专利技术成果提出的方法只需要一个位置的参考声源，而且不需要考虑声源相对于基阵的近场或远场条件，算法实现也比较简单，估计性能相比于一般方法要好。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种利用合作声源信息的阵形估计方法，提供了一种利用合作声源信息的阵形估计技术，该方法是在阵元间距已知或者变化较小的条件下，通过位于近场或者远场的合作声源在相对基阵的某一方位角发射一次信号，即可基于各阵元接收信号的时延特性估计出接收阵阵形。本专利技术的目的是通过如下技术方案来完成的。这种利用合作声源信息的阵形估计方法，该方法主要包括以下步骤：(1)测量合作声源位置信息：将导引声源移动到一个能够达到相对较佳效果的测量区域，通过GPS测量出导引声源及拖曳基阵首阵元的位置信息，进而推出声源相对于首阵元的距离及在大地坐标系下的相对角；(2)接收合作声源发射信号，并计算出各阵元接收信号的时延信息：声源发射一次导引信号，接收阵将接收信号与发射拷贝信号进行匹配滤波处理，并通过峰值搜索和线性拟合方法提取出时延信息；(3)基于声源位置信息和阵元间时延信息递推解算阵列阵元位置：将第一步中测量得到的声源位置信息与第二步中估计出的时延参量作为初值输入代入阵形估计算法中，进而估计出各阵元相对大地坐标系下的坐标位置参量，整合所有阵元的估计位置参量即完成了阵形的估计。更进一步的，将时延参量估计值与转换后的GPS测量的角度与距离信息分别代入阵形估计算法中，输出得到各阵元的坐标位置值，迭代阵形估计算法表示为：其中表示第i+1阵元相对于第i阵元的相对偏向角，d表示阵元间距；Li、θi分别表示声源距离第i阵元的距离及相对角度，初值距离与相对角通过GPS测量得到。本专利技术的有益效果为：基于阵元位置参量及合作声源位置信息，可以得到与时延相应的正向模型，在已知合作声源信息和接收阵数据的前提下，求解估计阵形就是一个逆问题求解，通过设计出的递归算法可以得到阵形位置的解析解。相比于目前常见的利用合作声源估计阵形方法，本专利技术方法实现相对简单、对条件约束较小、算法运行效率高且阵形估计性能可靠。附图说明图1是阵形测量实现流程示意图；图2是阵形估计标准差与声源-基阵相对角/距离之间关系；图3是声源距离为4km，阵形估计标准差与阵元间距畸变程度/声源-基阵相对角之间关系示意图；图4分别给出了第一个湖试数据处理的各通道匹配滤波输出及峰值搜索后线性拟合得到时延曲线；图5分别给出了针对图4湖试数据利用航向传感器得到的经验阵形和基于迭代算法的阵形估计结果。图6分别给出了针对图4湖试数据对应于利用航向传感器得到的经验阵形、基于迭代算法估计阵形得到的空间谱结果。图7分别给出了第二个湖试数据处理的各通道匹配滤波输出及峰值搜索后线性拟合得到时延曲线；图8分别给出了针对图7湖试数据利用航向传感器得到的经验阵形和基于迭代算法的阵形估计结果。图9分别给出了针对图7湖试数据对应于利用航向传感器得到的经验阵形、基于迭代算法估计阵形得到的空间谱结果。图10给出了该专利技术成果算法的原理示意图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术做详细的介绍：本专利技术所述的这种利用合作声源信息的阵形估计方法，该方法主要包括以下步骤：(1)测量合作声源位置信息：将导引声源移动到一个能够达到相对较佳效果的测量区域，通过GPS测量出导引声源及拖曳基阵首阵元的位置信息，进而推出声源相对于首阵元的距离及在大地坐标系下的相对角；(2)接收合作声源发射信号，并计算出各阵元接收信号的时延信息：声源发射一次导引信号，接收阵将接收信号与发射拷贝信号进行匹配滤波处理，并通过峰值搜索和线性拟合方法提取出时延信息；(3)基于声源位置信息和阵元间时延信息递推解算阵列阵元位置：将第一步中测量得到的声源位置信息与第二步中估计出的时延参量作为初值输入代入阵形估计算法中，进而估计出各阵元相对大地坐标系下的坐标位置参量，整合所有阵元的估计位置参量即完成了阵形的估计。图1给出了所提阵形估计方法通用的处理流程，通过声源在某位置和某时刻(GPS记录)发射短脉冲信号，从基阵接收的数据中截取完整的到达信号并对各通道进行匹配滤波处理，将处理后的各通道结果进行峰值搜索，得到相应的相对时延值，将时延参量与GPS记录下的声源坐标信息和首阵元坐标信息带入到数值算法中来估计出阵形。图2给出了递归算法的阵形估计标准差与声源-基阵相对角/距离之间关系，其中估计标准差的表达式为：图3给出了声源距离为2km，基于本成果中递归算法的阵形估计标准差与阵元间距畸变程度/声源-基阵相对角之间关系，其阵元间距畸变程度是通过阵形弯曲角度反映的。可以看出随着阵形弯曲程度的增加，估计误差逐渐增大，且具有可有效观测角度范围逐渐向正横角度附近缩减。图4中：湖试数据处理1:(a)各通道匹配滤波输出；(b)峰值搜索后线性拟合得到时延曲线；其中发射声源信号为频带为375Hz-625Hz，脉宽为1秒的双曲调频信号，接收基阵由两条分别为64元基阵构成的近似平行的双线阵。图5中：湖试数据处理1:(a)经验上的双阵阵形；(b)基于递归算法估计出的双阵阵形；图6中：湖试数据处理1:分别针对由航向传感器得到的经验阵形和基于递归算法估计阵形得到的空间谱结果；图7中：湖试数据处理2:(a)各通道匹配滤波输出；(b)峰值搜索后线性拟合得到时延曲线；其中发射声源信号为频带为375Hz-625Hz，脉宽为1秒的双曲调频信号，接收基阵为由两条分别为64元基阵构成的有一定夹角的双线阵。图8中：湖试数据处理2:(a)经验上的双阵阵形；(b)基于递归算法估计出的双阵阵形。图9中：湖试数据处理2:分别针对由航向传感器得到的经验阵形和基于递归算法估计阵形得到的空间谱结果。具体步骤如下：1、首先，结合图2和图3性能分析结果对于所提阵形测量方法需要将声源与基阵之间的观测角度设定在一定范围内，同时结合实际可以达到的声源级，考虑传播损失与带宽增益的基础上，选定一个合理的观测距离与发射频带，同时，由于时延分辨力与带宽B成正比本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用合作声源信息的阵形估计方法，其特征在于：该方法主要包括以下步骤：(1)测量合作声源位置信息：将导引声源移动到一个能够达到相对较佳效果的测量区域，通过GPS测量出导引声源及拖曳基阵首阵元的位置信息，进而推出声源相对于首阵元的距离及在大地坐标系下的相对角；(2)接收合作声源发射信号，并计算出各阵元接收信号的时延信息：声源发射一次导引信号，接收阵将接收信号与发射拷贝信号进行匹配滤波处理，并通过峰值搜索和线性拟合方法提取出时延信息；(3)基于声源位置信息和阵元间时延信息递推解算阵列阵元位置：将第一步中测量得到的声源位置信息与第二步中估计出的时延参量作为初值输入代入阵形估计算法中，进而估计出各阵元相对大地坐标系下的坐标位置参量，整合所有阵元的估计位置参量即完成了阵形的估计。

【技术特征摘要】
1.一种利用合作声源信息的阵形估计方法，其特征在于：该方法主要包括以下步骤：(1)测量合作声源位置信息：将导引声源移动到一个能够达到相对较佳效果的测量区域，通过GPS测量出导引声源及拖曳基阵首阵元的位置信息，进而推出声源相对于首阵元的距离及在大地坐标系下的相对角；(2)接收合作声源发射信号，并计算出各阵元接收信号的时延信息：声源发射一次导引信号，接收阵将接收信号与发射拷贝信号进行匹配滤波处理，并通过峰值搜索和线性拟合方法提取出时延信息；(3)基于声源位置信息和阵元间时延信息递推解算阵列阵元位置：将第一步中测量得...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵鹏飞，祝献，马启明，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33