一种小尺寸矢量阵姿态与幅相误差联合校正方法、装置、计算机及存储介质制造方法及图纸

一种小尺寸矢量阵姿态与幅相误差联合校正方法、装置、计算机及存储介质，涉及声呐阵列处理领域。解决了现有技术缺少一种同时考虑未知阵体姿态与固定幅相误差情况下的校正方法的问题。所述方法包括：构建矢量水听器的小尺寸矢量阵和信号接收系统；根据所述小尺寸矢量阵和信号接收系统获取小尺寸矢量阵的阵体水平姿态与倾斜姿态的振速；根据所述阵体水平姿态的振速构建非线性方程组并进行非线性方程组求解；根据非线性方程组的解进行坐标变换，获取矢量水听器的立体阵；扫描矢量水听器的立体阵，获取声源方位角估计值；根据声源方位角估计值对立体阵进行幅相误差有源校正，获取阵体的姿态与幅相误差的联合校正。适用于小尺寸矢量阵的校正领域。矢量阵的校正领域。矢量阵的校正领域。

【技术实现步骤摘要】
一种小尺寸矢量阵姿态与幅相误差联合校正方法、装置、计算机及存储介质


[0001]本专利技术涉及声呐阵列处理领域，尤其涉及一种小尺寸矢量阵姿态与幅相误差联合校正方法。

技术介绍

[0002]近几年，基于小尺寸声呐基阵的超指向性波束形成方法成为研究热点，小尺寸矢量阵相比于传统声压水听器阵列具有节省阵列孔径，阵列增益较高等优势，但在进行波束形成之前，小尺寸矢量阵仍要进行各通道幅相误差的校正，由于矢量水听器中的矢量通道的自然指向性与声压通道不同，因此矢量阵列的幅相误差校正相比于声压阵列会更加复杂，对校正算法的要求会更高。阵列幅相误差校正的算法总体可分为自校正和有源校正两大类，对于自校正方法，容易由于迭代收敛到局部最小值而非全局最小值，有源校正算法相比自校正算法的准确性更高，稳定性更强。但有源校正算法需要确知校正声源与阵体x轴的相对方位，在实际实验情况下，往往声源与阵体的GPS点位置已知，但阵体自身的姿态未知，且由于海底不平整等原因，坐底的小尺寸矢量阵将会发生倾斜，因此经常在阵体上放置用于测量阵体姿态的传感器。
[0003]用于测量阵体姿态的传感器以原理不同可以划分为很多类，如加速度计、磁力计、陀螺仪、以及以陀螺仪为核心的惯导系统。但各种原理的测角传感器都将带有一定误差，以磁力计为例，在水声领域使用时，尤其是在固定在水下设备上的情况下，基阵和平台的刚体结构对磁场有很大影响，此时磁力计的载体姿态测量功能将会失效。到目前为止，特别是对于小尺寸矢量阵阵列而言，仍缺少一种同时考虑未知阵体姿态与固定幅相误差情况下的校正方法。r/>
技术实现思路

[0004]本专利技术解决了现有技术缺少一种同时考虑未知阵体姿态与固定幅相误差情况下的校正方法的问题。
[0005]本专利技术通过构建矢量水听器的小尺寸矢量阵和信号接收系统，获取了倾斜姿态下阵体的各阵元在水平姿态坐标系下的位置关系，进而获取了阵元位置信息联合各声源方位估计值，通过对各阵元各通道进行幅相误差有源校正，最终实现阵体的姿态与幅相误差的联合校正。
[0006]本专利技术提供一种小尺寸矢量阵姿态与幅相误差联合校正方法，所述方法包括：
[0007]构建矢量水听器的小尺寸矢量阵和信号接收系统；
[0008]根据所述的小尺寸矢量阵和信号接收系统获取小尺寸矢量阵的阵体倾斜姿态的振速；
[0009]根据所述的阵体倾斜姿态的振速获取阵体水平姿态的振速构建非线性方程组并进行非线性方程组求解；
[0010]根据非线性方程组的解进行坐标变换，获取矢量水听器的立体阵；
[0011]利用矢量水听器的立体阵进行波束扫描，获取声源方位角估计值；
[0012]根据声源方位角估计值对立体阵进行幅相误差有源校正，获取阵体的姿态与幅相误差的联合校正。
[0013]进一步的，还提供一种优选实施方式，所述根据所述的小尺寸矢量阵和信号接收系统获取小尺寸矢量阵的阵体倾斜姿态的振速，具体为：
[0014]建立大地坐标系，坐标轴分别为i0,j0,k0，分别指向东、北、天；倾斜前水平姿态的阵体坐标系，坐标轴分别为i,j,k；倾斜后倾斜姿态的阵体坐标系，坐标轴分别为i
′
,j
′
,k
′
；
[0015]阵体水平姿态第n个阵元xyz通道的振速由计算获取：
[0016][0017][0018]其中，R为姿态转换矩阵，为倾斜后阵体的k
′
轴与水平姿态阵体k轴的夹角，α为k
′
轴在ij平面上的投影与i轴的夹角，v
xn
为阵体水平姿态下第n个阵元x通道的振速向量，v
yn
为阵体水平姿态下第n个阵元y通道的振速向量，v
zn
为阵体水平姿态下第n个阵元z通道的振速向量，v
′
xn
为阵体倾斜姿态下第n个阵元x通道的振速向量，v
′
yn
为阵体倾斜姿态下第n个阵元y通道的振速向量，v
′
zn
为阵体倾斜姿态下第n个阵元z通道的振速向量，Γ
xn
为第n个阵元x通道的幅相误差，Γ
yn
为第n个阵元y通道的幅相误差，Γ
zn
为第n个阵元z通道的幅相误差。
[0019]进一步，还提供一种优选实施方式，根据所述的阵体水平姿态的振速构建非线性方程组并进行非线性方程组求解，具体为：
[0020]投放Q次声源，q＝1,2,...,Q，第q次投放的声源的大地坐标为(x
q
,y
q
,z
q
)，阵体的大地坐标为(X,Y,Z)；阵体倾斜后，第n个阵元接收到的第q次投放的声源的各通道振速分别为v
′
xnq
,v
′
ynq
,v
′
znq
，构建Q个非线性方程构成的方程组：
[0021][0022][0023][0024]其中，Re{
·
}为取实部运算，Im{
·
}为取虚部运算，为阵体水平姿态的i轴与大地坐标的i0轴之间的夹角。
[0025]进一步，还提供一种优选实施方式，所述非线性方程组求解采用的是全局优化算法。
[0026]进一步，还提供一种优选实施方式，所述矢量水听器的立体阵进行波束扫描，获取
声源方位角估计值，具体为：
[0027][0028]ω
n
＝exp(j2πfτ
n
)，
[0029][0030][0031]其中，P(θ,φ)为空间谱，*为取共轭符号，ω
n
为第n个阵元声压通道对应的权系数，p
n
(f)为第n个阵元的声压通道接收信号的频谱值，(x
′
n
,y
′
n
,z
′
n
)为第n个阵元在倾斜姿态阵体坐标系下的坐标，(x
n
,y
n
,z
n
)为第n个阵元在水平姿态阵体坐标系下的坐标，θ和φ分别为俯仰角和水平角的扫描角度，c为声速，τ
n
为第n个阵元声压通道接收信号与参考阵元声压通道的时延。
[0032]本专利技术还提供一种小尺寸矢量阵姿态与幅相误差联合校正装置，所述装置包括：
[0033]小尺寸矢量阵和信号接收系统构建单元，用于构建矢量水听器的小尺寸矢量阵和信号接收系统；
[0034]阵体倾斜姿态的振速获取单元，用于根据所述的小尺寸矢量阵和信号接收系统获取小尺寸矢量阵的阵体倾斜姿态的振速；
[0035]非线性方程组构建及求解单元，用于根据所述的阵体水平姿态的振速构建非线性方程组并进行非线性方程组求解；
[0036]矢量水听器的立体阵获取单元，用于根据非线性方程组的解进行坐标变换，获取矢量水听器的立体阵；
[0037]声源方位角估计值获取单元本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种小尺寸矢量阵姿态与幅相误差联合校正方法，其特征在于，所述方法包括：构建矢量水听器的小尺寸矢量阵和信号接收系统；根据所述的小尺寸矢量阵和信号接收系统获取小尺寸矢量阵的阵体倾斜姿态的振速；根据所述的阵体倾斜姿态的振速获取阵体水平姿态的振速构建非线性方程组并进行非线性方程组求解；根据非线性方程组的解进行坐标变换，获取矢量水听器的立体阵；利用矢量水听器的立体阵进行波束扫描，获取声源方位角估计值；根据声源方位角估计值对立体阵进行幅相误差有源校正，获取阵体的姿态与幅相误差的联合校正。2.根据权利要求1所述的一种小尺寸矢量阵姿态与幅相误差联合校正方法，其特征在于，根据所述的小尺寸矢量阵和信号接收系统获取小尺寸矢量阵的倾斜姿态的振速，具体为：建立大地坐标系，坐标轴分别为i0,j0,k0，分别指向东、北、天；倾斜前水平姿态的阵体坐标系，坐标轴分别为i,j,k；倾斜后倾斜姿态的阵体坐标系，坐标轴分别为i
′
,j
′
,k
′
；阵体水平姿态第n个阵元xyz通道的振速由计算获取：阵体水平姿态第n个阵元xyz通道的振速由计算获取：其中，R为姿态转换矩阵，为倾斜后阵体的k
′
轴与水平姿态阵体k轴的夹角，α为k
′
轴在ij平面上的投影与i轴的夹角，v
xn
为阵体水平姿态下第n个阵元x通道的振速向量，v
yn
为阵体水平姿态下第n个阵元y通道的振速向量，v
zn
为阵体水平姿态下第n个阵元z通道的振速向量，v
′
xn
为阵体倾斜姿态下第n个阵元x通道的振速向量，v
′
yn
为阵体倾斜姿态下第n个阵元y通道的振速向量，v
′
zn
为阵体倾斜姿态下第n个阵元z通道的振速向量，Γ
xn
为第n个阵元x通道的幅相误差，Γ
yn
为第n个阵元y通道的幅相误差，Γ
zn
为第n个阵元z通道的幅相误差。3.根据权利要求1所述的一种小尺寸矢量阵姿态与幅相误差联合校正方法，其特征在于，根据所述的阵体水平姿态的振速构建非线性方程组并进行非线性方程组求解，具体为：投放Q次声源，q＝1,2,...,Q，第q次投放的声源的大地坐标为(x
q
,y
q
,z
q
)，阵体的大地坐标为(X,Y,Z)；阵体倾斜后，第n个阵元接收到的第q次投放的声源的各通道振速分别为v
′
xnq
,v
′
ynq
,v
′
znq
，构建Q个非线性方程构成的方程组：，构建Q个非线性方程构成的方程组：，构建Q个非线性方程构成的方程组：
其中，Re{
·
}为取实部运算，Im{
·
}为取虚部运算，为阵体水平姿态的i轴与大地坐标的i0轴之间的夹角。4.根据权利要求1或3所述的一种小尺寸矢量阵姿态与幅相误差联合校正方法，其特征在于，所述非线性方程组求解采用的是全局优化算法。5.根据权利要求1所述的一种小尺寸矢量阵姿态与幅相误差联合校正方法，其特征在于，所述矢量水听器的立体阵进行波束扫描，获取声源方位角估计值，具体为：ω
n
＝exp(j2πfτ
n
)，)，其中，P(θ,φ)为空间谱，(
·
)
*
为取共轭符号，ω
n
为第n个阵元声压通道对应的权系数，p
n
(f)为第n个阵元的声压通道接收信号的频谱值，(x
′
n
,y
′
n
,z
′
n
)为第n个阵元在倾斜姿态阵体坐标系下的坐标，(x

【专利技术属性】
技术研发人员：朴胜春，郭俊媛，韩明潜，杨士莪，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：