CN116299156A - 一种水听器垂直阵阵元位置估计方法及其优化策略 - Google Patents

一种水听器垂直阵阵元位置估计方法及其优化策略 Download PDF

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CN116299156A CN202310601868.6A CN202310601868A CN116299156A CN 116299156 A CN116299156 A CN 116299156A CN 202310601868 A CN202310601868 A CN 202310601868A CN 116299156 A CN116299156 A CN 116299156A
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Abstract

本申请属于水声信号处理技术领域，提供一种水听器垂直阵阵元位置估计方法及其优化策略，所述估计方法包括以下步骤：通过至少两个远场声源分别向水听器垂直阵发射标定信号，对于每个远场声源发射的标定信号，分别通过各个阵元进行接收并对接收信号进行波束形成处理，基于波束形成处理的结果估计水听器垂直阵的实际布设轨迹的俯仰角
Figure ZY_1
在该远场声源所在的远场平面上对应的投影俯仰角；基于至少两个所述投影俯仰角获取
Figure ZY_2
的估计值
Figure ZY_3
以及水听器垂直阵的实际布设轨迹的方位角
Figure ZY_4
的估计值
Figure ZY_5
；基于所述
Figure ZY_6
、
Figure ZY_7
估计各个阵元的实际位置。本申请利用简正波的方向特性，通过两个非共面的远场声源发射的标定信号进行波束形成，能够同时获得水听器垂直阵的完整阵型信息。

Description

一种水听器垂直阵阵元位置估计方法及其优化策略
技术领域
本申请属于水声信号处理技术领域，具体提供一种水听器垂直阵阵元位置估计方法及其优化策略。
背景技术
随着声纳设备的不断发展和波束形成技术的成熟，多基元的水听器阵列被越来越多地应用于目标探测和定位的领域中，水听器垂直阵列作为水中传感器的一种常用分布方式，在其中扮演了重要的角色。对于水听器垂直阵，其各个阵元位置的准确获取对与垂直阵增益处理、探测定位性能有着显著的影响，尤其对于高频信号，对阵型和阵元位置的估计即使存在较小的偏差也会使得阵列信号处理算法的性能大幅度下降，特别是当垂直阵的阵列尺度较大时，在海流及重力作用下会产生明显的倾斜、悬垂等现象，因此，在使用水听器垂直阵进行水声信号处理前，必须对阵元实际位置进行准确地估计以用于信号校准。
目前关于垂直阵阵型的估计方法相关研究较少，主要分为两类，一类是利用垂直阵布设压力传感器，通过测量垂直阵首尾和中间位置所处深度来估计垂直阵的倾斜程度，但该方法只能得到垂直阵的俯仰角，不能估计垂直阵的倾斜方位角；另一类是在垂直阵正上方布设声源发射信号或者利用环境噪声互相关处理等声学的手段估计各阵元间的相对到达时间，结合水体内的声速分布来估计垂直阵的倾斜程度，该方法同样也只能估计垂直阵的俯仰角，如要准确估计垂直阵在三维坐标中的阵型，仍需要结合其他测量手段。
为此，亟需一种算法简单，计算量小，并能够同时估计水听器垂直阵俯仰角与方位角的方法。本专利所提的算法基于简正波的特性，利用两个正交平面或者已知夹角的两个非正交平面内的远场声源发射标定信号，并通过水听器垂直阵接收信号做常规波束形成处理，就可以估计垂直阵的倾斜俯仰角和方位角，算法简单，计算量小，对比其他方法有着较为明显的优势。
发明内容
本申请的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提供一种水听器垂直阵阵元位置估计方法，以及对该估计方法进一步进行优化的策略，该估计方法及其优化策略利用简正波的方向特性，通过两个正交平面或者已知夹角的两个非正交平面内的远场声源辐射信号的波束形成结果同时获得水听器垂直阵的完整阵型信息。
本申请的第一方面提供一种水听器垂直阵阵元位置估计方法，用于对构成水听器垂直阵的各个阵元的真实位置进行估计，包括以下步骤：
S1，通过至少两个远场声源分别向水听器垂直阵发射标定信号，其中，任意两个远场声源所在位置与水听器垂直阵的理想布设轨迹所成的平面互相之间不共面；
S2，对于每个远场声源发射的标定信号，分别通过各个阵元进行接收并对接收信号进行波束形成处理，基于波束形成处理的结果估计水听器垂直阵的实际布设轨迹的俯仰角
Figure SMS_1
在该远场声源所在的远场平面上对应的投影俯仰角，其中，每个远场声源所在的远场平面为该远场声源与水听器垂直阵的理想布设轨迹构成的平面；
S3，基于至少两个所述投影俯仰角获取
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估计各个阵元的实际位置。
优选地，所述标定信号为宽带短脉冲声信号；以及，所述远场声源与水听器垂直阵的距离大于等于水听器垂直阵所在位置的水深的10倍。
优选地，至少两个远场声源对应的远场平面互相垂直。
优选地，所述水听器垂直阵的阵元数量大于等于8，且各个阵元等间距设置。
进一步地，在步骤S2中对于每个远场声源发射的标定信号，基于以下步骤进行所述波束形成处理：
S21，通过各个阵元接收所述标定信号并进行下式的傅里叶变换：
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为水听器垂直阵的阵元数量，/>
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分别为任意两个不同的远场声源的序号。
本申请的第二方面还提供一种水听器垂直阵阵元位置估计方法的优化策略，用于对前述的水听器垂直阵阵元位置估计方法进行优化，包括以下步骤：
A1，使用前述的水听器垂直阵阵元位置估计方法估计各个阵元的实际位置；
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个阵元至最后一个阵元构造第二垂直子阵，其中，第一垂直子阵与第二垂直子阵的阵元数量均大于等于8；
A3，分别对第一垂直阵子及第二垂直子阵执行步骤S1至S3，获取第一垂直阵子阵的实际布设轨迹的俯仰角
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重新估计各个阵元的实际位置。
优选地，
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的取值范围为水听器垂直阵阵元数量的1/4至3/4。
本申请的实施例提供的一种一种水听器垂直阵阵元位置估计方法及其优化策略，利用倾斜状态下的水听器垂直阵对多个非共面的远场声源的发射的标定信号进行波数形成，利用简正波上行波与下行波相对于入射方向的对称性方便地确定水听器垂直阵实际布设轨迹在各个远场平面上的投影信息，从而能够同时获取对水听器垂直阵布设轨迹的俯仰角及方位角的估计结果。
附图说明
图1为一个具体的布设于海面以下的水听器垂直阵的轨迹示意图；
图2为根据本申请实施例提供的水听器垂直阵阵元位置估计方法的流程图；
图3为根据本申请优选的实施例，在两个正交的平面作为设置远场声源的远场平面的示意图；
图4为根据本申请优选的实施例，以XZ平面为远场平面布置远场声源的示意图；
图5为水听器垂直阵实际布设轨迹在XZ平面上的投影相对于OZ轴具有逆时针方向的偏移时，远场声信号入射的示意图；
图6为水听器垂直阵实际布设轨迹在XZ平面上的投影相对于OZ轴具有顺时针方向的偏移时，远场声信号入射的示意图；
图7为在一些具体的实施例中，简正波分解的原理示意图；
图8为在一些具体的实施例中，水听器垂直阵在远场平面内的投影俯仰角为0°时，时间-掠射角二维分布函数
Figure SMS_81
的图像；
图9为在一些具体的实施例中，水听器垂直阵在远场平面内的投影俯仰角为5°时，时间-掠射角二维分布函数
Figure SMS_82
的图像；
图10为在一些实施例中，水听器垂直阵的阵元在海流冲击及线缆拖拽的共同作用下形成的三维轨迹的示意图。
具体实施方式
以下，基于优选的实施方式并参照附图对本申请进行进一步说明。
在本申请实施例中的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本申请实施例的产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，本申请的描述中，为了区分不同的单元，本说明书上用了第一、第二等词汇，但这些不会受到制造的顺序限制，也不能理解为指示或暗示相对重要性，其在本申请的详细说明与权利要求书上，其名称可能会不同。此外，为了方便理解，放大或者缩小了图纸上的各种构件，但这种做法不是为了限制本申请的保护范围。
图1示出了一个具体的布设于海面以下的水听器垂直阵的轨迹示意图，在使用水听器垂直阵进行水声信号处理的过程中，为了便于对位置、方向进行表示，一般以位于最下端的阵元为原点O建立正交坐标系，以Z轴作为水听器垂直阵的理想布设轨迹。
在水听器垂直阵的实际布设及使用过程中，其实际布设轨迹一般受海流的影响产生倾斜，从而与理想布设轨迹并不重合。如图1所示，原点O与最上端的阵元A的连线为水听器垂直阵的实际布设轨迹，其与理想布设轨迹(即OZ轴)的姿态偏离可以通过俯仰角
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为OA连线在水平面(即XY平面)上的投影与X轴正方向之间的夹角。上述水听器垂直阵的实际布设轨迹与理想布设轨迹的偏离对后续垂直阵数据的处理造成了很大的影响，尤其是高频声信号处理对垂直阵的阵型更加敏感，因此有必要获取水听器垂直阵实际布设轨迹的精确数据以保证对后续的水声信号处理提供精确校正。
由于海洋信道中存在多途声传播特性，多途干涉使得海洋信道形成天然的角度滤波器，从而使得水听器垂直阵各阵元接收的声信号在不同到达时刻强弱不一致，声信号的强弱分布跟声源的深度和距离有关，这对利用各阵元脉冲相对到达时间估计垂直阵倾斜角度造成困难；此外，还有利用压力传感器海试测试声信号的方法对垂直阵布设轨迹进行估计，然而其只能估计垂直阵的俯仰角，而不能同时有效地估计垂直阵的方位角。
为此，本申请提供水听器垂直阵阵元位置估计方法，该方法能有同时获取对水听器垂直阵布设轨迹的俯仰角及方位角的估计结果，图2示出了在一些优选的实施例中，该估计方法的实施流程示意图，如图2所示，该估计方法包括以下步骤：
S1，通过至少两个远场声源分别向水听器垂直阵发射标定信号，其中，任意两个远场声源所在位置与水听器垂直阵的理想布设轨迹所成的平面互相之间不共面；
S2，对于每个远场声源发射的标定信号，分别通过各个阵元进行接收并对接收信号进行波束形成处理，基于波束形成处理的结果估计水听器垂直阵的实际布设轨迹的俯仰角
Figure SMS_87
在该远场声源所在的远场平面上对应的投影俯仰角，其中，每个远场声源所在的远场平面为该远场声源与水听器垂直阵的理想布设轨迹构成的平面；
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估计各个阵元的实际位置。
本申请提供的水听器垂直阵阵元位置估计方法，首先通过步骤S1在至少两个与垂直阵的理想布设轨迹不共面的远场平面发射标定信号，然后通过步骤S2分别对垂直阵的实际俯仰角在各个远场平面的投影进行估计，最后利用至少两个远场平面的估计结果，通过步骤S3及S4得到对垂直阵俯仰角和方位角的估计，以下结合附图及具体实施例，对步骤S1至步骤S4的具体实施方式进行详细说明。
图3示出了在一个优选的实施例中，分别以两个正交的平面，即XZ平面与YZ平面为作为设置远场声源的远场平面的示意图，水听器垂直阵的实际布设轨迹OA在XZ平面与YZ平面的投影分别与OZ成夹角
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，进而利用阵元之间的间距信息估计各个阵元的位置。
需要说明的是，图3所示的以两个正交平面作为远场平面的实施例，仅为本申请的一种优选的实施方式，在本申请的其他实施例中，远场平面的数量还可以大于2，且任意两个远场平面之间的角度可以成不等于90°的夹角，只要保证远场平面的数量不小于2，且任意两个远场平面相对于水听器垂直阵的理想布设轨迹不共面，均不脱离本申请的发明构思。
图4以XZ平面为例，示意性地说明在远场平面中布置远场声源的实施方式，本领域技术人员通过图4可以想象在其他由远场声源与水听器垂直阵的理想布设轨迹所形成的远场平面(如YZ平面或其他远场平面)内，远场声源的具体布置方式。
如图4所示，声源1与水听器垂直阵的距离远大于水听器垂直阵所在位置的水深，例如，在一些优选的实施例中，两者之比大于等于10，因此，可以将从该声源1作为XZ平面内的远场声源，从其发射的声信号可以视为从水平方向入射的远场声信号；此外，为保证估计精度，在本申请的一些优选的实施例中，水听器垂直阵的阵元数量大于等于8(例如，水听器垂直阵可以是8元阵、16元阵、32元阵等)，且各个阵元等间距设置。
图5、图6进一步示出了水听器垂直阵实际布设轨迹在XZ平面上的投影相对于OZ轴具有逆时针方向及顺时针方向的偏移时，远场声信号入射的情景，如图5、图6所示，水听器垂直阵在XZ平面上的投影具有投影俯仰角
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通过步骤S1由多个远场声源发射标定信号后，步骤S2分别对各个远场声源发射的标定信号进行处理，得到水听器垂直阵在各个远场平面内对应的投影俯仰角的估计值，具体地，在本申请的实施例中，S2包括以下步骤：
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步骤S22至S25通过简正波波束形成得到简正波上行波与下行波掠射角信息，图7以OX平面为例说明简正波分解的原理，如图7所示，对于垂直阵接收远场声信号的情况，可以将海洋环境简化为水平不变的分层介质波导，在此模型下将各个阵元接收到的频域信号分解为多个简正波，其模态射线可以由上行波与下行波合成得到。
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Figure SMS_170
分别为任意两个不同的远场声源的序号，以图3为例，图中水听器垂直阵的实际布设轨迹OA在XZ平面和YZ平面的投影俯仰角分别为/>
Figure SMS_171
、/>
Figure SMS_172
，其估计值分别为/>
Figure SMS_173
、
Figure SMS_174
，带入上式得到：
Figure SMS_175
。
此外，对于两个夹角不为90°的远场平面，进行俯仰角及方位角估计时还需要考虑两个远场平面之间的夹角关系，上述处理均为本领域技术人员所知晓，在此不再赘述。
通过前述水听器垂直阵阵元位置优化方法虽然能够获得对整体阵型的俯仰角及方位角的估计，然而，在一些存在复杂海流的区域，如图10所示，由于海水流速随深度变化的程度较为剧烈，此时垂直阵的阵型很难保持一致，在部分流速较大的深度，各个阵元在海流冲击及线缆拖拽的共同作用下形成三维轨迹上的如图中A’点所示的“拐点”，该拐点将使得其上下两部分阵型轨迹呈现明显的差异，甚至无法使用单一的俯仰角及方位角对其进行表征，为此，本申请的一些优选的实施例还提供了一种对前述水听器垂直阵阵元位置估计方法的优化策略，包括以下步骤：
A1，使用前述的水听器垂直阵阵元位置估计方法估计各个阵元的实际位置；
A2，基于水听器垂直阵的前
Figure SMS_176
个阵元构造第一垂直阵子阵，以及根据水听器垂直阵的第/>
Figure SMS_177
个阵元至最后一个阵元构造第二垂直子阵，其中，第一垂直子阵与第二垂直子阵的阵元数量均大于等于8；
A3，分别对第一垂直阵子及第二垂直子阵执行步骤S1至S3，获取第一垂直阵子阵的实际布设轨迹的俯仰角
Figure SMS_179
、方位角/>
Figure SMS_181
的估计值/>
Figure SMS_184
、/>
Figure SMS_180
，以及获取第二垂直子阵的实际布设轨迹的俯仰角/>
Figure SMS_182
、方位角/>
Figure SMS_183
的估计值/>
Figure SMS_185
、/>
Figure SMS_178
；
A4，如果
Figure SMS_186
与/>
Figure SMS_187
的差值或/>
Figure SMS_188
与/>
Figure SMS_189
的差值大于预设的阈值，则执行步骤A5，否则改变/>
Figure SMS_190
的取值并返回执行步骤A1，直到遍历/>
Figure SMS_191
的取值范围；
A5，基于所述
Figure SMS_192
、/>
Figure SMS_193
、/>
Figure SMS_194
、/>
Figure SMS_195
重新估计各个阵元的实际位置。
上述各步骤中，首先获取水听器垂直阵的整体阵型信息，然后分别在一定遍历范围内将垂直阵分为两个子阵，分别获取其阵型信息并判断是否存在拐点，如果存在，则利用该拐点分别估计上下两个子阵的阵元位置，否则仍以整个垂直阵的阵型信息估计阵元位置。
通过对垂直阵在海流冲击下的阵型变化进行分析发现，上述拐点往往出现在整个垂直阵的中间区域，为此，在一些优选的实施例中，
Figure SMS_196
的取值范围为水听器垂直阵阵元数量的1/4至3/4。
以上对本申请的具体实施方式作了详细介绍，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也属于本申请权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种水听器垂直阵阵元位置估计方法，用于对构成水听器垂直阵的各个阵元的真实位置进行估计，其特征在于，包括以下步骤：
S1，通过至少两个远场声源分别向水听器垂直阵发射标定信号，其中，任意两个远场声源所在位置与水听器垂直阵的理想布设轨迹所成的平面互相之间不共面；
S2，对于每个远场声源发射的标定信号，分别通过各个阵元进行接收并对接收信号进行波束形成处理，基于波束形成处理的结果估计水听器垂直阵的实际布设轨迹的俯仰角
Figure QLYQS_1
在该远场声源所在的远场平面上对应的投影俯仰角，其中，每个远场声源所在的远场平面为该远场声源与水听器垂直阵的理想布设轨迹构成的平面；
S3，基于至少两个所述投影俯仰角获取
Figure QLYQS_2
的估计值/>
Figure QLYQS_3
以及水听器垂直阵的实际布设轨迹的方位角/>
Figure QLYQS_4
的估计值/>
Figure QLYQS_5
；
S4，基于所述
Figure QLYQS_6
、/>
Figure QLYQS_7
估计各个阵元的实际位置。
2.根据权利要求1所述的水听器垂直阵阵元位置估计方法，其特征在于：
所述标定信号为宽带短脉冲声信号；以及，
所述远场声源与水听器垂直阵的距离大于等于水听器垂直阵所在位置的水深的10倍。
3.根据权利要求1所述的水听器垂直阵阵元位置估计方法，其特征在于：
至少两个远场声源对应的远场平面互相垂直。
4.根据权利要求1所述的水听器垂直阵阵元位置估计方法，其特征在于：
所述水听器垂直阵的阵元数量大于等于8，且各个阵元等间距设置。
5.根据权利要求4所述的水听器垂直阵阵元位置估计方法，其特征在于，在步骤S2中对于每个远场声源发射的标定信号，基于以下步骤进行所述波束形成处理：
S21，通过各个阵元接收所述标定信号并进行下式的傅里叶变换：
Figure QLYQS_8
，
其中，
Figure QLYQS_10
为水听器垂直阵的阵元数量，/>
Figure QLYQS_14
为阵元的序号，/>
Figure QLYQS_16
为第/>
Figure QLYQS_11
个阵元的深度，/>
Figure QLYQS_13
为积分时间，/>
Figure QLYQS_15
为所述标定信号传播至第/>
Figure QLYQS_17
个阵元所产生的时域接收信号，/>
Figure QLYQS_9
为
Figure QLYQS_12
的频谱；
S22，将
Figure QLYQS_18
变换为简正波表示：
Figure QLYQS_19
,
其中
Figure QLYQS_22
为水体密度，/>
Figure QLYQS_23
为标定信号的频谱，/>
Figure QLYQS_27
为远场声源的深度，/>
Figure QLYQS_21
为远场声源和水听器垂直阵的水平间距，/>
Figure QLYQS_25
为简正波的序号，/>
Figure QLYQS_26
为有效简正波的最大序号，/>
Figure QLYQS_28
、/>
Figure QLYQS_20
分别为第/>
Figure QLYQS_24
号简正波的本征波数和本征函数；
S23，进一步将
Figure QLYQS_29
进行变换为下式：
Figure QLYQS_30
，
其中，
Figure QLYQS_31
为第/>
Figure QLYQS_32
号简正波模态射线的掠射角，/>
Figure QLYQS_33
，/>
Figure QLYQS_34
为水体平均声速；
S24，基于下式对各个阵元的
Figure QLYQS_35
进行波束形成，得到接收信号的频率-掠射角二维分布函数：
Figure QLYQS_36
，
其中，
Figure QLYQS_37
为接收信号关于频率/>
Figure QLYQS_38
与掠射角/>
Figure QLYQS_39
的二维分布函数，/>
Figure QLYQS_40
为阵元的间距；
S25，基于下式对所述
Figure QLYQS_41
进行逆傅里叶变换，得到接收信号的时间-掠射角二维分布函数：
Figure QLYQS_42
，
其中，
Figure QLYQS_43
为接收信号关于接收时间/>
Figure QLYQS_44
与掠射角/>
Figure QLYQS_45
的二维分布函数，/>
Figure QLYQS_46
、/>
Figure QLYQS_47
分别为频率积分的上下限；
S26，基于下式估计所述
Figure QLYQS_48
在每个远场声源所在的远场平面上对应的投影俯仰角：
Figure QLYQS_49
，
其中，
Figure QLYQS_50
为远场声源的序号，/>
Figure QLYQS_51
为所述/>
Figure QLYQS_52
在第/>
Figure QLYQS_53
个远场声源所在的远场平面上对应的投影俯仰角，/>
Figure QLYQS_54
分别为第/>
Figure QLYQS_55
号简正波的上行波的掠射角及下行波的掠射角。
6.根据权利要求5所述的水听器垂直阵阵元位置估计方法，其特征在于，基于下式确定所述
Figure QLYQS_56
、/>
Figure QLYQS_57
：
Figure QLYQS_58
，
其中，
Figure QLYQS_59
分别为任意两个不同的远场声源的序号。
7.一种水听器垂直阵阵元位置估计方法的优化策略，用于对权利要求1所述的水听器垂直阵阵元位置估计方法进行优化，其特征在于，包括以下步骤：
A1，使用如权利要求1所述的水听器垂直阵阵元位置估计方法估计各个阵元的实际位置；
A2，基于水听器垂直阵的前
Figure QLYQS_60
个阵元构造第一垂直阵子阵，以及根据水听器垂直阵的第/>
Figure QLYQS_61
个阵元至最后一个阵元构造第二垂直子阵，其中，第一垂直子阵与第二垂直子阵的阵元数量均大于等于8；
A3，分别对第一垂直阵子及第二垂直子阵执行步骤S1至S3，获取第一垂直阵子阵的实际布设轨迹的俯仰角
Figure QLYQS_63
、方位角/>
Figure QLYQS_66
的估计值/>
Figure QLYQS_68
、/>
Figure QLYQS_64
，以及获取第二垂直子阵的实际布设轨迹的俯仰角/>
Figure QLYQS_65
、方位角/>
Figure QLYQS_67
的估计值/>
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、/>
Figure QLYQS_62
；
A4，如果
Figure QLYQS_70
与/>
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的差值或/>
Figure QLYQS_72
与/>
Figure QLYQS_73
的差值大于预设的阈值，则执行步骤A5，否则改变/>
Figure QLYQS_74
的取值并返回执行步骤A1，直到遍历/>
Figure QLYQS_75
的取值范围；
A5，基于所述
Figure QLYQS_76
、/>
Figure QLYQS_77
、/>
Figure QLYQS_78
、/>
Figure QLYQS_79
重新估计各个阵元的实际位置。
8.根据权利要求7所述的水听器垂直阵阵元位置估计方法的优化策略，其特征在于：
Figure QLYQS_80
的取值范围为水听器垂直阵阵元数量的1/4至3/4。
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