[发明专利]基于单近场校正源的拖曳线列阵阵形估计方法和装置

说明书

本发明属于阵列信号处理领域，为实现校正源的精确方位控制，从而提高阵形估计精度。为此，本发明采用的技术方案是，基于单近场校正源的拖曳线列阵阵形估计方法和装置，由拖曳船，近场校正源，拖曳线列阵，阵元，信号采集模块，信号传输模块和信号处理模块组成；近场校正源安装在拖曳船的头部或尾部，并通过位置传感器确定校正源的位置坐标，阵元接收经过水声信道传播的声信号，并将其转化为电信号，通过信号采集模块对电信号进行采集，将模拟信号转化为数字信号，在信号传输模块中将各个阵元数据进行打包编码处理，并传给信号处理模块。本发明主要应用于阵列信号处理场合。

技术领域

本发明属于阵列信号处理领域，特别是关于基于单近场校正源的拖曳线列阵阵形估计方法和装置。

背景技术

拖曳线列阵声呐已广泛应用于海洋监测和战略预警等方面，但由于船体速度的变化、突然转向、洋流等的扰动使得拖曳阵形发生弯曲，而大多数阵列信号处理算法如多重信号分类(Multiple Signal Classification，以下简称MUSIC)、子空间拟合等均是在阵形精确已知的前提下实现定位的，所以在对声源方位角进行估计前首先要对阵形进行校正。目前有源阵形估计方法均假设辅助校正信源为远场源，而拖曳线列阵声呐系统的孔径一般较大，需在远离船只等探测平台的位置放置方位精确已知的校正源，但由于海上复杂的海况导致很难保证远场校正源的精确方位，使得校正后的阵形与实际阵形相比误差较大，这大大限制了实际的应用。为了克服利用远场校正源所面临的问题，本发明提出了一种利用单近场源的高精度拖曳阵阵形估计方法及装置。通过将近场校正源放于拖曳船上，可以实现校正源的精确方位控制，从而提高阵形估计精度。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种利用单近场校正源的高精度拖曳线列阵阵形估计方法及装置。通过将近场校正源放于拖曳船上，实现校正源的精确方位控制，从而提高阵形估计精度。为此，本发明采用的技术方案是，基于单近场校正源的拖曳线列阵阵形估计装置，由拖曳船，近场校正源，拖曳线列阵，阵元，信号采集模块，信号传输模块和信号处理模块组成；将拖曳线列阵的首阵元设为参考阵元，参考阵元的位置由全球定位系统GPS(Global Positioning System)或北斗位置传感器测得，并以参考阵元为原点建立直角坐标系；近场校正源安装在拖曳船的头部或尾部，并通过位置传感器确定校正源的位置坐标，用于发射设计好的用于校正阵形的水声信号，在线列阵阵元间距已知的前提下，阵元接收经过水声信道传播的声信号，并将其转化为电信号，通过信号采集模块对电信号进行采集，将模拟信号转化为数字信号，在信号传输模块中将各个阵元数据进行打包编码处理，并传给信号处理模块，信号处理模块用于经过阵形估计算法的处理得到各阵元的位置坐标。

阵形估计算法的具体步骤是，不同阵元接收数据的相位差求解方法：均匀线列阵由于海洋洋流或船速变化等的影响发生弯曲，忽略校正声信号的反射作用及阵元在深度方向的变化，单个近场校正源发射声信号由M个阵元接收，阵列接收数据矢量表示为，

X(t)＝AS(t)+N(t) (1)

其中X(t)为阵列的M×1维快拍数据矢量，A为M×1维阵列流型矩阵，S(t)为空间信号矢量，N(t)为阵列的M×1维噪声数据矢量，以参考阵元为原点建立直角坐标系，(x_i,y_i)为第i个阵元的位置坐标，i＝2,3,...,M，(x₁,y₁)为已知的参考阵元位置坐标，θ为校正源的方位到达角DOA(Direction of Arrival)，对于求解不同阵元接收数据的相位差△φ_i部分，首先设置阵元个数M，然后求解接收数据矢量的协方差矩阵R，并对R进行特征值分解，根据阵列信号处理理论，根据特征向量的相位求解不同阵元的相位差，用于进一步估计阵元的位置坐标；