[发明专利]一种水平阵列阵元位置校准方法及系统

说明书

本发明公开了一种水平阵列阵元位置校准方法及系统，所述方法包括：布设呈一定张角且分时工作的校准声源S₁、S₂、S₃，对各阵元接收时域信号进行带通滤波；然后由信号互相关运算得到待校准阵元与参考阵元间的时延估计，通过将阵元间时钟偏移作为未知参数纳入阵形校准模型，再结合校准声源、参考阵元位置建立代价函数，最后通过优化算法得到各个阵元相对参考阵元的位置信息，并且实现各阵元时钟的同步一致性校准。本发明通过将各阵元时钟偏移纳入阵形校准模型，可以校准接收信号时域波形图中难以发现的自容式水听器时钟偏移现象，利于提升阵形校准精度和后续阵列信号处理的性能。

技术领域

本发明属于水声信号处理领域，具体涉及一种水平阵列阵元位置校准方法及系统。

背景技术

海底柔性水平阵列在布放过程中，受海浪海流、布放船机动等因素影响，各阵元位置较预设位置往往存在偏差。阵元位置坐标的准确与否对目标探测与定位性能有着显著影响，相关研究表明，如果想控制阵形参数误差带来的阵增益损失在一分贝以内，则需要阵元位置偏差不大于所处理信号波长的十分之一。为提高后续阵列信号处理算法的探测性能，有必要进行阵形校准工作。

海底柔性水平阵列的水听器有绝对同步和弱同步两种。传统的水声信号采集系统多为绝对同步阵列，各个水听器在统一的时钟信号驱动下采集信号，从而有着较好的时钟一致性，但其工作的深度范围受限，并且在阵列孔径较大时，海上布放与回收不方便，使用的局限性较多。国际水声接收设备发展趋势为分布式阵列，不同于采用时钟线连接的方式，自容式水声信号记录仪(Underwater Signal Recorder，USR)为每个通道的水听器配置同步时钟模块，信号采集过程同样可以基本实现时钟同步的功能。但在授时操作以及长时间工作受海洋环境影响等因素下，水听器间会存在一定的时钟偏移现象，此时多个USR组成的相对同步阵列称为弱同步阵列，特定时段内各个阵元信号的离散化采样间隔高度一致，但是相互之间存在一个相对稳定的由时钟偏移导致的采样时延。研究弱同步阵列的阵形校准方法，以期有效避免此类时钟偏移对阵形校准精度的影响，同时该类方法也兼容绝对同步阵列，有着更为广泛的适用场景。

现有的阵元位置校准方法，建立在接收阵时钟同步性完全一致的基础上，但直接忽略阵元间可能存在的时钟偏移量，会错误的将水听器记录信号时延差纳入阵元间由于距离差导致的时延差中，导致阵元位置校准结果不准。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的阵元位置校准方法，将水听器记录信号时延差纳入阵元间由于距离差导致的时延差中，导致阵元位置校准结果不准的缺陷。

为了实现上述目的，本发明提出了一种水平阵列阵元位置校准方法，所述方法包括：布设呈一定张角且分时工作的三个校准声源，对水平阵列各阵元接收时域信号进行带通滤波；然后由信号互相关运算得到待校准阵元与参考阵元间的时延估计，通过将阵元间时钟偏移作为未知参数纳入阵形校准模型，再结合参考阵元位置建立代价函数，最后通过优化算法得到各个阵元相对参考阵元的位置信息，并且实现各阵元时钟的同步一致性校准。

作为上述方法的一种改进，所述方法具体包括：

步骤1：参考阵元A₁与第i个待校准阵元A_i接收到的时域信号通过傅里叶变换转换得到频域信号

其中，k取值1，2，3代表校准声源S₁，S₂，S₃，f为频率，t为时间；

步骤2：通过信号互相关运算后峰值最大处对应的时延数来估算任意两个阵元间的信号时延量：