[发明专利]一种弯曲水听器阵列的阵元位置校准方法

说明书

本发明涉及一种弯曲水听器阵列的阵元位置校准方法，根据位置已知的前M_c个水听器，将基阵均匀划分成D个子阵，利用第一个子阵进行目标方位估计，通过阵元间距信息剔除候选位置中的错误位置，最终得到第d个子阵第m个阵元的坐标为其中|| ||表示向量l2范数，||表示绝对值运算。解决当阵形严重变形失配时，失配阵列(如拖线阵与海底固定式)的阵形校准问题。

技术领域

本发明属于阵列信号处理、参数估计等领域，涉及一种弯曲水听器阵列的阵元位置校准方法。

背景技术

水听器阵列广泛应用于水下目标的感知与探测，为了提高阵列增益，通常会使用大孔径水听器阵列，常用的大孔径水听器阵列包括拖线阵声呐阵列以及海底固定式声呐阵列，对于拖线阵声呐而言，由于拖船机动以及海流等环境因素的影响，阵形会发生弯曲；对于海底固定式声呐而言，由于阵列布放的不可控性，阵形相对理想形状也会产生弯曲变形。阵形弯曲变形会导致目标方位估计精度的严重下降，较高的旁瓣甚至会掩蔽目标的存在。

对于阵形校准技术的研究工作开始于20世纪80年代。从校准方法上可以分为辅助校准方法(pilot-calibration)和自校准方法(self-calibration)。辅助校准方法通常需要预制已知方位的声源，预制声源可以是时间或频率上可分离的，利用预制声源的准确方位信息来解算阵元位置，可以获得较高的阵元位置估计精度。自校准方法无需预制声源，可以实现阵元位置和目标方位的联合估计，由于目标方位和阵元位置耦合在阵列流形的指数项中，直接解算出阵元位置和目标方位较为困难，Weiss和Friedlander(A J Weiss,BFriedlander.Array shape calibration using sources in unknown locations–amaximum likelihood approach[J].IEEE Transactions on Acoustic,Speech andSignal Processing,1989,37(12):1958–1966.)最早提出目标方位与阵元位置交替迭代的计算思路，考虑到阵元位置和阵列流形之间的非线性关系，Weiss和Friedlander通过对阵列流形指数项进行泰勒级数展开，并取一阶线性近似，从而可以得到阵元位置的闭式解。然而当阵元位置误差较大时，一阶线性近似效果严重下降。为此，Flanagan和Bell(B PFlanagan,K L Bell.Array self-calibration with large sensor position errors[J].Signal Processing,2001,81(10):2201–2214.)将阵元相位建模为角度相关的函数，利用信号子空间拟合技术估计出阵列流行的相位，并从相位中解算出阵元位置，有效避免了线性近似带来的模型误差。

上述阵形校准方法均假设传感器位置误差导致的相位差均小于2π，并没有考虑相位模糊问题。当阵形严重变形失配时，相位模糊不可避免。目前考虑相位模糊的阵形校准方法较少，亟待解决严重变形失配阵列(如拖线阵与海底固定式)的阵形校准问题。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种弯曲水听器阵列的阵元位置校准方法，针对水平布放并且严重弯曲变形的线性水听器基阵。

技术方案

一种弯曲水听器阵列的阵元位置校准方法，其特征在于：待校准的水听器阵列接收远场K个目标信号，要求K≥2，阵元数为M，已知第m和第m+1个阵元间距为Δ_m,m＝1,2,…,M-1，并且已知前M_c个水听器位置，即p_m＝[x_m,y_m]^T,m＝1,2,…,M_c，x_m,y_m为第m个阵元在x和y轴的坐标；步骤如下：

步骤1：利用该阵列接收和记录水声信号，x(n)为阵列输出向量，计算阵列采样协方差矩阵