CN103163502B - 一种大孔径水声柔性阵阵形自校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大孔径水声柔性阵阵形自校准装置及方法，在基于TDOA的柔性阵水声被动定位系统中，利用柔性阵复合式水声换能器的发射换能器部分发射阵形校准信号，柔性阵的各个水听器接收阵形校准信号，通过测量阵形校准信号到达各个水听器的时间延迟解算各个水听器的坐标，从而完成柔性阵阵形的自校准。

Description

一种大孔径水声柔性阵阵形自校准装置及方法

技术领域

本发明涉及水声信号处理技术领域中的水声被动定位方法，尤其涉及一种大孔径水声柔性阵阵形自校准装置及方法。

背景技术

水声被动定位是水声信号处理领域的一项难题。基于TDOA的方法是最常用的水声被动定位算法之一，并广泛应用于实时水声被动定位系统中。该算法根据到达水听器阵列不同基元的信号相对时延来进行目标方位、距离和深度参数的估计。根据所使用的参数估计方法不同，基于TDOA的目标参数估计可以分为最大似然估计(MLE)和最小二乘方法(LSE)估计。最小二乘估计不需要任何先验知识，并能给出闭合形式（closed form）的解，通常用来求解超定方程组，因此在需要实时处理的被动定位系统中得到了广泛的应用。在无干扰噪声的情况下，根据r维空间中r+1个基元间的r个信号到达时延差就能够唯一确定目标声源的位置^[1]。有噪声存在时，信号到达时延的测量会产生误差，为了弥补干扰噪声造成的影响，定位所使用的基元个数要多于r+1个。

基于TDOA的被动定位系统的精度高低与基阵孔径大小有着密切的关系，基阵孔径越大，定位精度越高。对于船载被动定位系统来说，充分利用船体平台所能提供的空间和尺度是扩大基阵孔径的一种有效方法。但是，如果大孔径阵各基元之间采用刚性连接方式，会给基阵的布放和回收带来很大的不便。为了解决这个问题，在船载被动定位系统中采用柔性阵作为接收基阵，其各基元均采用软连接方式（不作刚性固定）。柔性阵的基元位置是不确定的，呈随机扰动状态，要使用前述的基于最小二乘的TDOA被动定位算法，就必须对柔性阵的阵形进行校准。

对于采用球面内插法^[2]和柔性阵的被动定位系统，被测目标与柔性阵中心基元的距离的估计仅与柔性阵各基元的相对位置有关，而与柔性阵基元的绝对位置无关。因此，本发明的方法仅解算柔性阵各基元的相对位置，而不测定各基元的绝对坐标。

参考文献

[1]Huang Y.,Benesty J.,Elko G.W.,Mersereau R.M.Real-Time Passive SourceLocalization:A Practical Linear-Correction Least-Squares Approach[J].IEEETransaction on Speech and Audio Processing,2001,9(8):943-955.

[2]Smith J.O.,Abel J.S.The Spherical Interpolation Method of SourceLocalization[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,1987,12(1):246-252.

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种大孔径水声柔性阵阵形自校准装置及方法。

技术方案：一种大孔径水声柔性阵阵形自校准装置，主要包括以下部分：

（1）三只复合式收发水声换能器，其水听器部分用作水声柔性阵的三个基元，其发射换能器部分发射阵形自校准信号，对三只复合式收发水声换能器分别命名为T/R₁（其发射换能器部分命名为T₁，水听器部分命名为R₁）、T/R₂（其发射换能器部分命名为T₂，水听器部分命名为R₂）和T/R₅（其发射换能器部分命名为T₅，水听器部分命名为R₅）；

（2）三只水听器，用作水声柔性阵的另外三个基元，与三只复合式收发水声换能器共同组成柔性阵的六个基元，对三只水听器分别命名为R₀，R₃和R₄；

（3）一台三通道的功率放大器，用来为复合式收发水声换能器的发射换能器部分提供校准用的电信号，其三个信号输入端命名为Pin₁、Pin₂、Pin₃，三个功率输出端命名为Pout₁、Pout₂、Pout₃，三个输出控制端命名为Oen₁、Oen₂、Oen₃，每个输出控制端可设置为输出或禁止状态；

（4）一套计算机处理系统，由一组三输出通道的PCI接口数字-模拟转换装置、一组九输入通道的PCI接口模拟-数字转换装置、一台计算机以及一套校准软件组成，计算机控制数字-模拟转换装置输出阵形自校准信号，并通过处理模拟-数字转换装置采集的九个通道的信号，解算水声柔性阵六个基元的坐标；三输出通道的PCI接口数字-模拟转换装置的三个输出端分别命名为Eout₁、Eout₂、Eout₃；九输入通道的PCI接口模拟-数字转换装置的九个输入端分别命名为Rin_n，n=1,2,3…,9。

自校准装置的连接方式如下：

每个复合式收发水声换能器由固定在一起的一发射换能器和一水听器构成，发射换能器位于水听器上方10cm，且与水听器的对称轴重合，发射换能器和水听器的电缆封装于同一条多芯电缆中。

Eout₁与Pin₁相连接，Eout₂与Pin₂相连接、Eout₃与Pin₃相连接，Pout₁与T₁相连接，Pout₂与T₂相连接，Pout₃与T₅相连接。

Rin₁与R₀相连接，Rin₂与R₁相连接，Rin₃与R₂相连接，Rin₄与R₃相连接，Rin₅与R₄相连接，Rin₆与R₅相连接，Rin₇与Eout₁相连接，Rin₈与Eout₂相连接，Rin₉与Eout₃相连接。

在计算机控制下，三输出通道PCI接口数字-模拟转换装置输出三组阵形自校准电信号，经过功率放大器放大后，由三只复合式收发水声换能器的发射换能器部分T₁、T₂和T₅转换为声信号；柔性阵的六个基元R₀、R₁、R₂、R₃、R₄和R₅接收这三组阵形自校准信号，并转换为电信号，与三组阵形自校准电信号一并送入九输入通道PCI接口模拟-数字转换装置进行数据采集，所采集得到的九通道的信号序列送给计算机进行处理。

三输出通道PCI接口数字-模拟转换装置所输出的三组阵形自校准电信号S₁、S₂和S₃均为2DPSK信号，信号持续时间为12.8ms，S₁首先输出，35ms后输出S₂，再过35ms后输出S₃，且S₁从Eout₁输出，S₂从Eout₂输出，S₃从Eout₃输出；S₁、S₂和S₃的载波频率为f_c，S₁、S₂和S₃的载波相位分别被128个码元的m序列m₁、m₂和m₃调制，每个码元的持续时间为0.1ms，m₁、m₂和m₃均由7次本原多项式生成，m₁的本原多项式为f(x)=x⁷+x+1，m₂和m₃的本原多项式为f(x)=x⁷+x³+x²+x+1，且m₁和m₂构成优选对，m₂和m₃构成优选对；m序列中的数字信息“1”表示前后两个码元的初相位差为π，m序列中的数字信息“0”表示前后两个码元的初相位差为0。

大孔径水声柔性阵阵形自校准方法包括以下步骤：

（1）三只复合式收发水声换能器和三只水听器组成柔性阵，其中R₀位于柔性阵中心，T/R₁、T/R₂、R₃、R₄和T/R₅按顺时针方向均匀布放在以R₀为圆心、半径为R的圆周上，T/R₁、R₀、R₃共线，T/R₂、R₀、R₄共线，且T/R₁、R₀、R₃所在直线与T/R₂、R₀、R₄所在直线夹角为90度，R₀、T/R₁、T/R₂、R₃、R₄布放深度均为h₁，T/R₅布放于R₀竖直下方H处，15m≤R≤30m，5m≤H≤10m；

（2）计算机控制三输出通道PCI接口数字-模拟转换装置以210ms的周期重复输出前述阵形校准信号S₁、S₂和S₃；

（3）设置Oen₁为输出状态，Oen₂为禁止状态，Oen₃为禁止状态，经过一段时间T₁（2R/c≤T₁≤210ms，c为水中声速）延迟后，R₀、R₂、R₃、R₄均可接收到与S₁信号形式相似的信号，该信号经过模拟-数字转换装置转换后得到四组信号序列S₀₁、S₂₁、S₃₁、S₄₁，设S₁经过模拟-数字转换装置转换后得到的信号序列为S_1c，利用互相关时延估计法，估计S₀₁、S₂₁、S₃₁、S₄₁相对于S_1c的时间延迟τ₀₁、τ₂₁、τ₃₁、τ₄₁；

（4）设置Oen₁为禁止状态，Oen₂为输出状态，Oen₃为禁止状态，经过一段时间T₂（2R/c+35ms≤T₂≤210ms）延迟后，R₀、R₃、R₄均可接收到与S₂信号形式相似的信号，该信号经过模拟-数字转换装置转换后得到三组信号序列S₀₂、S₃₂、S₄₂，设S₂经过模拟-数字转换装置转换后得到的信号序列为S_2c，利用互相关时延估计法，估计S₀₂、S₃₂、S₄₂相对于S_2c的时间延迟τ₀₂、τ₃₂、τ₄₂，并令时间延迟τ₁₂=τ₂₁；

（5）设置Oen₁为禁止状态，Oen₂为禁止状态，Oen₃为输出状态，经过一段时间T₃（(R²+H²)^1/2/c+70ms≤T₃≤210ms）延迟后，R₀、R₁、R₂、R₃、R₄的水听器均可接收到与S₃信号形式相似的信号，该信号经过模拟-数字转换装置转换后得到五组信号序列S₀₅、S₁₅、S₂₅、S₃₅、S₄₅，设S₃经过模拟-数字转换装置转换后得到的信号序列为S_3c，利用互相关时延估计法，估计S₀₅、S₁₅、S₂₅、S₃₅、S₄₅相对于S_3c的时间延迟τ₀₅、τ₁₅、τ₂₅、τ₃₅、τ₄₅；

（6）将Oen₁、Oen₂和Oen₃为均设置为输出状态，经过一段时间（(R²+H²)^1/2/c+70ms≤T₄≤210ms）延迟后，则R₀、R₁、R₂、R₃、R₄均可接收到三个阵形自校准信号，设R_i接收到的对应于S₁的信号经过模拟-数字转换装置转换后的信号序列为S’_i1，i=0,2,3,4，其与S_1c的互相关函数序列为R_i1；R_j接收到的对应于S₂的信号经过模拟-数字转换装置转换后的信号序列为S’_i2，j=0,3,4，其与S_2c的互相关函数序列为R_j2；R_k接收到的对应于S₃的信号经过模拟-数字转换装置转换后的信号序列为S’_k5，k=0,1,2,3,4，其与S_3c的互相关函数序列为R_k5；

利用互相关时延估计法，在初始值τ_i1前后1.5ms范围内搜索序列R_i1的最大值及对应的时间延迟τ’_i1，在初始值τ_j2前后1.5ms范围内搜索序列R_j2的最大值及对应的时间延迟τ’_j2，在初始值τ_k5前后1.5ms范围内搜索序列R_k5的最大值及对应的时间延迟τ’_k5；

（7）设水中声速为c，根据步骤（6）得到的时间延迟τ’_i1，τ’_j2和τ’_k5，计算出12组基元之间的间距d_i1=cτ’_i1，d_j2=cτ’_j2，d_k5=cτ’_k5；

（8）利用d_i1、d_j2、d_k5解算R₀、T/R₁、T/R₂、R₃、R₄和T/R₅的坐标，完成柔性阵阵形校准：设R₀、T/R₁、T/R₂、R₃、R₄和T/R₅的坐标为p₀(x₀,y₀,z₀)、p₁(x₁,y₁,z₁)、p₂(x₂,y₂,z₂)、p₃(x₃,y₃,z₃)、p₄(x₄,y₄,z₄)、p₅(x₅,y₅,z₅)，设p₀为坐标系的原点o，即x₀=y₀=z₀=0，p₀、p₁、p₂三点构成xoy平面，p₀和p₁的连线构成x轴，且p₁位于x轴的负半轴，过p₀且垂直于p₀p₁连线的直线构成y轴，过p₀且垂直于xoy平面的直线构成z轴，x轴、y轴和z轴构成右手坐标系，p₁(x₁,y₁,z₁)、p₂(x₂,y₂,z₂)、p₃(x₃,y₃,z₃)、p₅(x₅,y₅,z₅)可用以下(1)式～(5)式计算：

x₁＝-d₀₁,y₁＝0,z₁＝0(1)

x₂＝-d₀₂cosα,y₂＝d₀₂sinα,z₂＝0(2)

$x_5=-\frac{d_{05}^2-d_{15}^2+x_1^2}{{2x}_1},$ $y_5=\frac{d_{05}^2-d_{25}^2+x_2^2+y_2^2}{{2y}_2}-\frac{x_5{x}_2}{y_2},$ $z_5=-\sqrt{d_{05}^2-x_5^2-y_5^2}---\left(3\right)$

$x_3=\frac{-G_3+\sqrt{G_3^2-{4F}_3{H}_3}}{{2F}_3},$ y₃＝A₃-x₃B₃,z₃＝D₃x₃+E₃(4)

$x_4=\frac{-G_4+\sqrt{G_4^2-{4F}_4{H}_4}}{{2F}_4},$ y₄＝A₄-x₄B₄,z₄＝D₄x₄+E₄(5)

其中

$\mathrm{\α}=\arccos \frac{d_{01}^2+d_{02}^2-d_{21}^2}{{2d}_{01}{d}_{02}}---\left(6\right),$ $A_l=\frac{d_{l1}^2-d_{l2}^2-x_1^2+x_2^2+y_2^2}{{2y}_2}---\left(7\right)$

$B_l=\frac{-x_1+x_2}{y_2}---\left(8\right),$ $C_l=d_{l5}^2-d_{l1}^2-x_5^2-y_5^2-z_5^2+x_1^2+y_1^2---\left(9\right)$

$D_l=x_1-x_5-B_l\frac{y_1-y_5}{z_5}---\left(10\right),$ $E_l=\frac{{2A}_l(y_1-y_5)-C_l}{{2z}_5}---\left(11\right)$

$F_l=1+B_l^2+D_l^2---\left(12\right),$ G_l＝2(y₂B_l-A_lB_l+D_lE_l-x₂)   (13)，

$H_l=x_2^2+A_l^2-{2A}_l{y}_2+y_2^2+E_l^2-d_{l2}^2---\left(14\right)$

l=3,4

为了进一步说明本发明，现将互相关时延估计法的原理介绍如下。设两个水听器的接收的信号序列为x(n)和y(n)满足下列方程：

x(n)＝s(n)

y(n)＝s(n-D)

s(n)为实信号序列，s(n-D)表示s(n)的时延信号，其中时间移位为D，n=0,1,2,…,N-1，N为信号序列的长度。设R_xy(τ)为x(n)与y(n)之间的互相关函数序列，则R_xy(τ)可以表示为

R_xy(τ)＝E{x(n)y(n+τ)}

＝E{s(n)s(n+τ-D)}

＝R_ss(τ-D)

其中R_ss(τ)=E{s(n)s(n+τ)}为信号序列s(n)的自相关函数序列，由于自相关函数具有性质R_ss(τ)≤R_ss(0)，所以互相关函数序列R_ss(τ)=R_ss(τ-D)在τ=D处取得最大值，即互相关函数序列取最大值时的滞后τ就对应了时间延迟D的估计。

在本发明中，当Oen₁、Oen₂和Oen₃均设置为输出状态时，R₀、R₁、R₂、R₃、R₄和R₅的均可接收到三个阵形自校准信号，由于R₁、R₂、R₅接收到的自身发射的阵形自校准信号强度远远强于其它两个复合式水声换能器发射的自校准信号，因此需要先测量12组时间延迟初始值τ_i1、τ_j2、τ_k5，在搜索互相关函数序列的最大值时，必须在时间延迟初始值附近进行搜索，本发明中搜索的范围为时间延迟初值前后各1.5ms的区间内。

有益效果：本发明所提供的大孔径水声柔性阵阵形自校准装置及方法，在基于TDOA的柔性阵水声被动定位系统中，利用柔性阵复合式水声换能器的发射换能器部分发射阵形校准信号，柔性阵的各个水听器接收阵形校准信号，通过测量阵形校准信号到达各个水听器的时间延迟解算各个水听器的坐标，从而完成柔性阵阵形的自校准。

附图说明

图1为本发明实施例的校准装置的系统框图；

图2为本发明实施例的校准方法的流程图；

图3为经过模拟-数字转换装置采集得到的信号序列S_1c波形图；

图4为经过模拟-数字转换装置采集得到的信号序列S_2c波形图；

图5为经过模拟-数字转换装置采集得到的信号序列S_3c波形图；

图6为水听器R₀接收的信号序列S’₀₁波形图；

图7为水听器R₀接收的信号序列S’₀₂波形图；

图8为水听器R₀接收的信号序列S’₀₅波形图；

图9为互相关序列R₀₁波形图；

图10为互相关序列R₀₂波形图；

图11为互相关序列R₀₅波形图；

图12为根据时间延迟值解算出的柔性阵阵元位置图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

1、如图1所示，大孔径水声柔性阵阵形自校准装置，主要包括以下部分：

（1）三只复合式收发水声换能器，其水听器部分用作水声柔性阵的三个基元，其发射换能器部分发射阵形自校准信号，对三只复合式收发水声换能器分别命名为T/R₁（其发射换能器部分命名为T₁，水听器部分命名为R₁）、T/R₂（其发射换能器部分命名为T₂，水听器部分命名为R₂）和T/R₅（其发射换能器部分命名为T₅，水听器部分命名为R₅）；

（2）三只水听器，用作水声柔性阵的另外三个基元，与三只复合式收发水声换能器共同组成柔性阵的六个基元，对三只水听器分别命名为R₀，R₃和R₄；

（3）一台三通道的功率放大器，用来为复合式收发水声换能器的发射换能器部分提供校准用的电信号，其三个信号输入端命名为Pin₁、Pin₂、Pin₃，三个功率输出端命名为Pout₁、Pout₂、Pout₃，三个输出控制端命名为Oen₁、Oen₂、Oen₃，每个输出控制端可设置为输出或禁止状态；

（4）一套计算机处理系统，由一组三输出通道的PCI接口数字-模拟转换装置、一组九输入通道的PCI接口模拟-数字转换装置、一台计算机以及一套校准软件组成，计算机控制数字-模拟转换装置输出阵形自校准信号，并通过处理模拟-数字转换装置采集的九个通道的信号，解算水声柔性阵六个基元的坐标；三输出通道的PCI接口数字-模拟转换装置的三个输出端分别命名为Eout₁、Eout₂、Eout₃；九输入通道的PCI接口模拟-数字转换装置的九个输入端分别命名为Rin_n，n=1,2,3…,9。

自校准装置的连接方式如下：

每个复合式收发水声换能器由固定在一起的一发射换能器和一水听器构成，发射换能器位于水听器上方10cm，且与水听器的对称轴重合，发射换能器和水听器的电缆封装于同一条多芯电缆中。

Eout₁与Pin₁相连接，Eout₂与Pin₂相连接、Eout₃与Pin₃相连接，Pout₁与T₁相连接，Pout₂与T₂相连接，Pout₃与T₅相连接。

Rin₁与R₀相连接，Rin₂与R₁相连接，Rin₃与R₂相连接，Rin₄与R₃相连接，Rin₅与R₄相连接，Rin₆与R₅相连接，Rin₇与Eout₁相连接，Rin₈与Eout₂相连接，Rin₉与Eout₃相连接。

在计算机控制下，三输出通道PCI接口数字-模拟转换装置输出三组阵形自校准电信号，经过功率放大器放大后，由三只复合式收发水声换能器的发射换能器部分T₁、T₂和T₅转换为声信号；柔性阵的六个基元R₀、R₁、R₂、R₃、R₄和R₅接收这三组阵形自校准信号，并转换为电信号，与三组阵形自校准电信号一并送入九输入通道PCI接口模拟-数字转换装置进行数据采集，所采集得到的九通道的信号序列送给计算机进行处理。

三输出通道PCI接口数字-模拟转换装置所输出的三组阵形自校准电信号S₁、S₂和S₃均为2DPSK信号，信号持续时间为12.8ms，S₁首先输出，35ms后输出S₂，再过35ms后输出S₃，且S₁从Eout₁输出，S₂从Eout₂输出，S₃从Eout₃输出；S₁、S₂和S₃的载波频率为f_c，S₁、S₂和S₃的载波相位分别被128个码元的m序列m₁、m₂和m₃调制，每个码元的持续时间为0.1ms，m₁、m₂和m₃均由7次本原多项式生成，m₁的本原多项式为f(x)=x⁷+x+1，m₂和m₃的本原多项式为f(x)=x⁷+x³+x²+x+1，且m₁和m₂构成优选对，m₂和m₃构成优选对；m序列中的数字信息“1”表示前后两个码元的初相位差为π，m序列中的数字信息“0”表示前后两个码元的初相位差为0。

2、如图2所示，大孔径水声柔性阵阵形自校准方法包括以下步骤：

（1）三只复合式收发水声换能器和三只水听器组成柔性阵，其中R₀位于柔性阵中心，T/R₁、T/R₂、R₃、R₄和T/R₅按顺时针方向均匀布放在以R₀为圆心、半径为R的圆周上，T/R₁、R₀、R₃共线，T/R₂、R₀、R₄共线，且T/R₁、R₀、R₃所在直线与T/R₂、R₀、R₄所在直线夹角为90度，R₀、T/R₁、T/R₂、R₃、R₄布放深度均为h₁，T/R₅布放于R₀竖直下方H处，15m≤R≤30m，5m≤H≤10m；

（2）计算机控制三输出通道PCI接口数字-模拟转换装置以210ms的周期重复输出前述阵形校准信号S₁、S₂和S₃；

（3）设置Oen₁为输出状态，Oen₂为禁止状态，Oen₃为禁止状态，经过一段时间T₁（2R/c≤T₁≤210ms，c为水中声速）延迟后，R₀、R₂、R₃、R₄均可接收到与S₁信号形式相似的信号，该信号经过模拟-数字转换装置转换后得到四组信号序列S₀₁、S₂₁、S₃₁、S₄₁，设S₁经过模拟-数字转换装置转换后得到的信号序列为S_1c，利用互相关时延估计法，估计S₀₁、S₂₁、S₃₁、S₄₁相对于S_1c的时间延迟τ₀₁、τ₂₁、τ₃₁、τ₄₁；

（4）设置Oen₁为禁止状态，Oen₂为输出状态，Oen₃为禁止状态，经过一段时间T₂（2R/c+35ms≤T₂≤210ms）延迟后，R₀、R₃、R₄均可接收到与S₂信号形式相似的信号，该信号经过模拟-数字转换装置转换后得到三组信号序列S₀₂、S₃₂、S₄₂，设S₂经过模拟-数字转换装置转换后得到的信号序列为S_2c，利用互相关时延估计法，估计S₀₂、S₃₂、S₄₂相对于S_2c的时间延迟τ₀₂、τ₃₂、τ₄₂，并令时间延迟τ₁₂=τ₂₁；

（5）设置Oen₁为禁止状态，Oen₂为禁止状态，Oen₃为输出状态，经过一段时间T₃（(R²+H²)^1/2/c+70ms≤T₃≤210ms）延迟后，R₀、R₁、R₂、R₃、R₄的水听器均可接收到与S₃信号形式相似的信号，该信号经过模拟-数字转换装置转换后得到五组信号序列S₀₅、S₁₅、S₂₅、S₃₅、S₄₅，设S₃经过模拟-数字转换装置转换后得到的信号序列为S_3c，利用互相关时延估计法，估计S₀₅、S₁₅、S₂₅、S₃₅、S₄₅相对于S_3c的时间延迟τ₀₅、τ₁₅、τ₂₅、τ₃₅、τ₄₅；

（6）将Oen₁、Oen₂和Oen₃为均设置为输出状态，经过一段时间T₄（(R²+H²)^1/2/c+70ms≤T₄≤210ms）延迟后，则R₀、R₁、R₂、R₃、R₄均可接收到三个阵形自校准信号，设R_i接收到的对应于S₁的信号经过模拟-数字转换装置转换后的信号序列为S’_i1，i=0,2,3,4，其与S_1c的互相关函数序列为R_i1；R_j接收到的对应于S₂的信号经过模拟-数字转换装置转换后的信号序列为S’_i2，j=0,3,4，其与S_2c的互相关函数序列为R_j2；R_k接收到的对应于S₃的信号经过模拟-数字转换装置转换后的信号序列为S’_k5，k=0,1,2,3,4，其与S_3c的互相关函数序列为R_k5；

利用互相关时延估计法，在初始值τ_i1前后1.5ms范围内搜索序列R_i1的最大值及对应的时间延迟τ’_i1，在初始值τ_j2前后1.5ms范围内搜索序列R_j2的最大值及对应的时间延迟τ’_j2，在初始值τ_k5前后1.5ms范围内搜索序列R_k5的最大值及对应的时间延迟τ’_k5；

（7）设水中声速为c，根据步骤（6）得到的时间延迟τ’_i1，τ’_j2和τ’_k5，计算出12组基元之间的间距d_i1=cτ’_i1，d_j2=cτ’_j2，d_k5=cτ’_k5；

（8）利用d_i1、d_j2、d_k5解算R₀、T/R₁、T/R₂、R₃、R₄和T/R₅的坐标，完成柔性阵阵形校准：设R₀、T/R₁、T/R₂、R₃、R₄和T/R₅的坐标为p₀(x₀,y₀,z₀)、p₁(x₁,y₁,z₁)、p₂(x₂,y₂,z₂)、p₃(x₃,y₃,z₃)、p₄(x₄,y₄,z₄)、p₅(x₅,y₅,z₅)，设p₀为坐标系的原点o，即x₀=y₀=z₀=0，p₀、p₁、p₂三点构成xoy平面，p₀和p₁的连线构成x轴，且p₁位于x轴的负半轴，过p₀且垂直于p₀p₁连线的直线构成y轴，过p₀且垂直于xoy平面的直线构成z轴，x轴、y轴和z轴构成右手坐标系，p₁(x₁,y₁,z₁)、p₂(x₂,y₂,z₂)、p₃(x₃,y₃,z₃)、p₅(x₅,y₅,z₅)可用以下(1)式～(5)式计算：

x₁＝-d₀₁,y₁＝0,z₁＝0(1)

x₂＝-d₀₂cosα,y₂＝d₀₂sinα,z₂＝0(2)

$x_5=-\frac{d_{05}^2-d_{15}^2+x_1^2}{{2x}_1},$ $y_5=\frac{d_{05}^2-d_{25}^2+x_2^2+y_2^2}{{2y}_2}-\frac{x_5{x}_2}{y_2},$ $z_5=-\sqrt{d_{05}^2-x_5^2-y_5^2}---\left(3\right)$

$x_3=\frac{-G_3+\sqrt{G_3^2-{4F}_3{H}_3}}{{2F}_3},$ y₃＝A₃-x₃B₃,z₃＝D₃x₃+E₃(4)

$x_4=\frac{-G_4+\sqrt{G_4^2-{4F}_4{H}_4}}{{2F}_4},$ y₄＝A₄-x₄B₄,z₄＝D₄x₄+E₄(5)

其中

$\mathrm{\α}=\arccos \frac{d_{01}^2+d_{02}^2-d_{21}^2}{{2d}_{01}{d}_{02}}---\left(6\right),$ $A_l=\frac{d_{l1}^2-d_{l2}^2-x_1^2+x_2^2+y_2^2}{{2y}_2}---\left(7\right)$

$B_l=\frac{-x_1+x_2}{y_2}---\left(8\right),$ $C_l=d_{l5}^2-d_{l1}^2-x_5^2-y_5^2-z_5^2+x_1^2+y_1^2---\left(9\right)$

$D_l=x_1-x_5-B_l\frac{y_1-y_5}{z_5}---\left(10\right),$ $E_l=\frac{{2A}_l(y_1-y_5)-C_l}{{2z}_5}---\left(11\right)$

$F_l=1+B_l^2+D_l^2---\left(12\right),$ G_l＝2(y₂B_l-A_lB_l+D_lE_l-x₂)     (13)， $H_l=x_2^2+A_l^2-{2A}_l{y}_2+y_2^2+E_l^2-d_{l2}^2---\left(14\right)$

l=3,4

为了进一步说明本发明，现将互相关时延估计法的原理介绍如下。设两个水听器的接收的信号序列为x(n)和y(n)满足下列方程：

x(n)＝s(n)

y(n)＝s(n-D)

s(n)为实信号序列，s(n-D)表示s(n)的时延信号，其中时间移位为D，n=0,1,2,…,N-1，N为信号序列的长度。设R_xy(τ)为x(n)与y(n)之间的互相关函数序列，则R_xy(τ)可以表示为

R_xy(τ)＝E{x(n)y(n+τ)}

＝E{s(n)s(n+τ-D)}

＝R_ss(τ-D)

其中R_ss(τ)=E{s(n)s(n+τ)}为信号序列s(n)的自相关函数序列，由于自相关函数具有性质R_ss(τ)≤R_ss(0)，所以互相关函数序列R_ss(τ)=R_ss(τ-D)在τ=D处取得最大值，即互相关函数序列取最大值时的滞后τ就对应了时间延迟D的估计。

3、在步骤（1）中所述的方式布放柔性阵，由于实际布放的船体尺寸限制，T/R₁、T/R₂、R₃、R₄与R₀之间的距离并不相等，其中T/R₁和R₃与R₀之间的距离约为20m，T/R₂和R₄与R₀之间的距离约为16m，满足条件15m≤R≤30m，T/R₅布放于R₀竖直下方约8m处，满足条件5m≤H≤10m；

4、在步骤（2）～步骤（5）中，所发射的阵形校准信号经过模拟-数字转换装置转换后得到的信号序列S_1c、S_2c、S_3c的波形分别如图3～图5所示，采样频率为200kHz，测得时间延迟初始值为：τ₀₁=0.013200s、τ₂₁=0.017051s、τ₃₁=0.023620s、τ₄₁=0.014027s、τ₀₂=0.011018s、τ₁₂=0.017051s、τ₃₂=0.014533s、τ₄₂=0.020999s、τ₀₅=0.005741s、τ₁₅=0.014389s、τ₂₅=0.013380s、τ₃₅=0.012552s、τ₄₅=0.011431s；

5、在步骤（6）中，R₀所接收到的对应于S₁、S₂和S₃的信号经过模拟-数字转换装置转换后的信号序列为S’₀₁、S’₀₂和S’₀₅，其波形图分别如图6～图9所示，S’₀₁与S_1c的互相关序列R₀₁的波形图如图9所示，S’₀₂与S_2c的互相关序列R₀₂的波形图如图10所示，S’₀₅与S_3c的互相关序列R₀₅的波形图如图11所示，寻找互相关序列R₀₁、R₀₂和R₀₅取最大值时对应的时间延迟，可得时间延迟τ’₀₁=0.012855s、τ’₀₂=0.010599s、τ’₀₅=0.005730s，使用类似的方法可得τ’₂₁=0.016988s、τ’₃₁=0.023386s、τ’₄₁=0.013632s、τ’₃₂=0.014122s、τ’₄₂=0.020862s、τ’₁₅=0.014378s、τ’₂₅=0.012837s、τ’₃₅=0.012271s、τ’₄₅=0.011536s；

6、在步骤（7）中，取水中声速为c=1530m/s，可得d₀₁=19.668m，d₂₁=25.992m，d₃₁=35.781m，d₄₁=20.857m，d₀₂=16.216m，d₃₂=21.607m，d₄₂=31.920m，d₀₅=8.766m，d₁₅=21.999m，d₂₅=19.641m，d₃₅=18.774m，d₄₅=17.650m；

7、在步骤（8）中，根据d_i1、d_j2、d_k5解算得R₀、T/R₁、T/R₂、R₃、R₄和T/R₅的坐标为：p₁(-19.668,0,0)，p₂(0.658,16.202,0)，p₃(16.060，1.131,1.577)，p₄(-5.343,-15.137,0.831)，p₅(0.516,-1.439,-8.632)。

Claims (4)

1.一种大孔径水声柔性阵阵形自校准装置，其特征在于包括：

三只复合式收发水声换能器，所述复合式收发水声换能器由固定在一起的一发射换能器和一水听器构成，发射换能器位于水听器上方10cm，且对称轴重合，两者的电缆封装于同一条多芯电缆中；三只复合式收发水声换能器的水听器部分用作水声柔性阵的三个基元，其发射换能器部分发射阵形自校准信号，对三只复合式收发水声换能器分别命名为：

T/R₁：其发射换能器部分命名为T₁，水听器部分命名为R₁、

T/R₂：其发射换能器部分命名为T₂，水听器部分命名为R₂、

T/R₅：其发射换能器部分命名为T₅，水听器部分命名为R₅；

三只水听器，用作水声柔性阵的另外三个基元，与三只复合式收发水声换能器共同组成柔性阵的六个基元，对三只水听器分别命名为R₀，R₃和R₄；

一台三通道的功率放大器，用来为复合式收发水声换能器的发射换能器部分提供校准用的电信号，其三个信号输入端命名为Pin₁、Pin₂、Pin₃，三个功率输出端命名为Pout₁、Pout₂、Pout₃，三个输出控制端命名为Oen₁、Oen₂、Oen₃，每个输出控制端可设置为输出或禁止状态；

一套计算机处理系统，由一组三输出通道的PCI接口数字-模拟转换装置、一组九输入通道的PCI接口模拟-数字转换装置、一台计算机以及一套校准软件组成，计算机控制数字-模拟转换装置输出阵形自校准信号，并通过处理模拟-数字转换装置采集的九个通道的信号，解算水声柔性阵六个基元的坐标；三输出通道的PCI接口数字-模拟转换装置的三个输出端分别命名为Eout₁、Eout₂、Eout₃；九输入通道的PCI接口模拟-数字转换装置的九个输入端分别命名为Rin_n，n＝1,2,3…,9；

所述Eout₁与Pin₁相连接，Eout₂与Pin₂相连接、Eout₃与Pin₃相连接，Pout₁与T₁相连接，Pout₂与T₂相连接，Pout₃与T₅相连接；

所述Rin₁与R₀相连接，Rin₂与R₁相连接，Rin₃与R₂相连接，Rin₄与R₃相连接，Rin₅与R₄相连接，Rin₆与R₅相连接，Rin₇与Eout₁相连接，Rin₈与Eout₂相连接，Rin₉与Eout₃相连接。

2.如权利要求1所述的大孔径水声柔性阵阵形自校准装置，其特征在于：在计算机控制下，三输出通道PCI接口数字-模拟转换装置输出三组阵形自校准电信号，经过功率放大器放大后，由三只复合式收发水声换能器的发射换能器部分T₁、T₂和T₅转换为声信号；柔性阵的六个基元R₀、R₁、R₂、R₃、R₄和R₅接收这三组阵形自校准信号，并转换为电信号，与三组阵形自校准电信号一并送入九输入通道PCI接口模拟-数字转换装置进行数据采集，所采集得到的九通道的信号序列送给计算机进行处理。

3.如权利要求2所述的大孔径水声柔性阵阵形自校准装置，其特征在于：三输出通道PCI接口数字-模拟转换装置所输出的三组阵形自校准电信号S₁、S₂和S₃均为2DPSK信号，信号持续时间为12.8ms，S₁首先输出，35ms后输出S₂，再过35ms后输出S₃，且S₁从Eout₁输出，S₂从Eout₂输出，S₃从Eout₃输出；S₁、S₂和S₃的载波频率为f_c，S₁、S₂和S₃的载波相位分别被128个码元的m序列m₁、m₂和m₃调制，每个码元的持续时间为0.1ms，m₁、m₂和m₃均由7次本原多项式生成，m₁的本原多项式为f(x)＝x⁷+x+1，m₂和m₃的本原多项式为f(x)＝x⁷+x³+x²+x+1，且m₁和m₂构成优选对，m₂和m₃构成优选对；m序列中的数字信息“1”表示前后两个码元的初相位差为π，m序列中的数字信息“0”表示前后两个码元的初相位差为0。

4.一种用于权利要求3的大孔径水声柔性阵阵形自校准方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)三只复合式收发水声换能器和三只水听器组成柔性阵，其中R₀位于柔性阵中心，T/R₁、T/R₂、R₃、R₄和T/R₅按顺时针方向均匀布放在以R₀为圆心、半径为R的圆周上，T/R₁、R₀、R₃共线，T/R₂、R₀、R₄共线，且T/R₁、R₀、R₃所在直线与T/R₂、R₀、R₄所在直线夹角为90度，R₀、T/R₁、T/R₂、R₃、R₄布放深度均为h₁，T/R₅布放于R₀竖直下方H处，15m≤R≤30m，5m≤H≤10m；

(2)计算机控制三输出通道PCI接口数字-模拟转换装置以210ms的周期重复输出所述阵形校准信号S₁、S₂和S₃；

(3)设置Oen₁为输出状态，Oen₂为禁止状态，Oen₃为禁止状态，经过一段时间T₁延迟后，其中，2R/c≤T₁≤210ms，c为水中声速，R₀、R₂、R₃、R₄均可接收到与S₁信号形式相似的信号，该信号经过模拟-数字转换装置转换后得到四组信号序列S₀₁、S₂₁、S₃₁、S₄₁，设S₁经过模拟-数字转换装置转换后得到的信号序列为S_1c，利用互相关时延估计法，估计S₀₁、S₂₁、S₃₁、S₄₁相对于S_1c的时间延迟τ₀₁、τ₂₁、τ₃₁、τ₄₁；

(4)设置Oen₁为禁止状态，Oen₂为输出状态，Oen₃为禁止状态，经过一段时间T₂延迟后，其中，2R/c+35ms≤T₂≤210ms，R₀、R₃、R₄均可接收到与S₂信号形式相似的信号，该信号经过模拟-数字转换装置转换后得到三组信号序列S₀₂、S₃₂、S₄₂，设S₂经过模拟-数字转换装置转换后得到的信号序列为S_2c，利用互相关时延估计法，估计S₀₂、S₃₂、S₄₂相对于S_2c的时间延迟τ₀₂、τ₃₂、τ₄₂，并令时间延迟τ₁₂＝τ₂₁；

(5)设置Oen₁为禁止状态，Oen₂为禁止状态，Oen₃为输出状态，经过一段时间T₃延迟后，其中，(R²+H²)^1/2/c+70ms≤T₃≤210ms，R₀、R₁、R₂、R₃、R₄的水听器均可接收到与S₃信号形式相似的信号，该信号经过模拟-数字转换装置转换后得到五组信号序列S₀₅、S₁₅、S₂₅、S₃₅、S₄₅，设S₃经过模拟-数字转换装置转换后得到的信号序列为S_3c，利用互相关时延估计法，估计S₀₅、S₁₅、S₂₅、S₃₅、S₄₅相对于S_3c的时间延迟τ₀₅、τ₁₅、τ₂₅、τ₃₅、τ₄₅；

(6)将Oen₁、Oen₂和Oen₃为均设置为输出状态，经过一段时间T₄延迟后，(R²+H²)^1/2/c+70ms≤T₄≤210ms，则R₀、R₁、R₂、R₃、R₄均可接收到三个阵形自校准信号，设R_i接收到的对应于S₁的信号经过模拟-数字转换装置转换后的信号序列为S’_i1，i＝0,2,3,4，其与S_1c的互相关函数序列为R_i1；R_j接收到的对应于S2的信号经过模拟-数字转换装置转换后的信号序列为S’_i2，j＝0,3,4，其与S_2c的互相关函数序列为R_j2；Rk接收到的对应于S3的信号经过模拟-数字转换装置转换后的信号序列为S’_k5，k＝0,1,2,3,4，其与S_3c的互相关函数序列为R_k5；

利用互相关时延估计法，在初始值τ_i1前后1.5ms范围内搜索序列R_i1的最大值及对应的时间延迟τ’_i1，在初始值τ_j2前后1.5ms范围内搜索序列R_j2的最大值及对应的时间延迟τ’_j2，在初始值τ_k5前后1.5ms范围内搜索序列R_k5的最大值及对应的时间延迟τ’_k5；

(7)设水中声速为c，根据步骤(6)得到的时间延迟τ’_i1，τ’_j2和τ’_k5，计算出12组基元之间的间距d_i1＝cτ’_i1，d_j2＝cτ’_j2，d_k5＝cτ’_k5；

(8)利用d_i1、d_j2、d_k5解算R₀、T/R₁、T/R₂、R₃、R₄和T/R₅的坐标，完成柔性阵阵形校准，设R₀、T/R₁、T/R₂、R₃、R₄和T/R₅的坐标为p₀(x₀,y₀,z₀)、p₁(x₁,y₁,z₁)、p₂(x₂,y₂,z₂)、p₃(x₃,y₃,z₃)、p₄(x₄,y₄,z₄)、p₅(x₅,y₅,z₅)，设p₀为坐标系的原点o，即x₀＝y₀＝z₀＝0，p₀、p₁、p₂三点构成xoy平面，p₀和p₁的连线构成x轴，且p₁位于x轴的负半轴，过p₀且垂直于p₀p₁连线的直线构成y轴，过p₀且垂直于xoy平面的直线构成z轴，x轴、y轴和z轴构成右手坐标系，p₁(x₁,y₁,z₁)、p₂(x₂,y₂,z₂)、p₃(x₃,y₃,z₃)、p₅(x₅,y₅,z₅)可用以下(1)式～(5)式计算：

x₁＝-d₀₁,y₁＝0,z₁＝0   (1)

x₂＝-d₀₂cosα,y₂＝d₀₂sinα,z₂＝0   (2)

$x_5=-\frac{d_{05}^2-d_{15}^2+x_1^2}{2x_1},y_5=\frac{d_{05}^2-d_{25}^2+x_2^2+y_2^2}{2y_2}-\frac{x_5{x}_2}{y_2},z_5=-\sqrt{d_{05}^2-x_5^2-y_5^2}---\left(3\right)$

$x_3=\frac{-G_3+\sqrt{G_3^2-4F_3{H}_3}}{2F_3},y_{3=}{A}_3-x_3{B}_3,z_3=D_x{x}_3+E_3---\left(4\right)$

$x_3=\frac{-G_3+\sqrt{G_3^2-4F_3{H}_3}}{2F_3},y_{3=}{A}_3-x_3{B}_3,z_3=D_x{x}_3+E_3---\left(4\right)$

其中

$\mathrm{\α}=\arccos \frac{d_{01}^2+d_{02}^2-d_{21}^2}{2d_{01}{d}_{02}},A_l=\frac{d_{l1}^2-d_{l2}^2-x_1^2+x_2^2+y_2^2}{2y_2}$

$B_l=\frac{-x_1+x_2}{y_2},C_l=d_{l5}^2-d_{l1}^2-x_5^2-y_5^2-z_5^2+x_1^2+y_1^2$

$D_l=x_1-x_5-B_l\frac{y_1{-y}_5}{z_5},E_l=\frac{2A_l(y_1-y_5)-C_l}{2z_5}$

$F_l=1+B_l^2+D_l^2,$ G_l＝2(y₂B_l-A_lB_l+D_lE_l-x₂)， $H_l=x_2^2+A_l^2-2A_l{y}_2+y_2^2+E_l^2-d_{l2}^2$ $l=\mathrm{3,4}.$