CN107202975A - 一种二维矢量阵阵元姿态误差校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于矢量阵列信号处理领域，尤其涉及一种二维矢量阵阵元姿态误差校正方法。利用目标源按照直线航行通过矢量阵的端射方向，进行波束形成，测得目标源直线航行时相对于声压阵的方位随时间的变化值，计算过阵端射方向时刻及过阵端射方向角度，再计算过阵时刻相对于阵列在水平面的投影方位，得到目标源相对于各二维矢量水听器的方位随时间变化值，计算各个二维矢量水听器在该时刻对应的方位，得到矢量阵的各个阵元姿态误差，利用电子旋转对矢量阵的各个阵元姿态误差进行校正，得到校正后的x轴振速通道信号及y轴振速通道信号。本发明仅需一个校正源，可校正范围更大，不需要辅助设备参与。
Description
技术领域
本发明属于矢量阵列信号处理领域，尤其涉及一种二维矢量阵阵元姿态误差校正方法。
背景技术
矢量水听器具有与频率无关的指向性特点使得单矢量水听器就可以获得一定的空间处理增益并完成对目标的方位估计，矢量阵因结合了阵列可以获得更多空间处理增益和矢量指向性的双重特点，与单声压阵相比具有可实现目标的左右舷分辨，获得更高的信号处理增益，可实现空间降采样增大基阵孔径提高分辨率等优点，使得其在岸基声纳、拖曳阵声纳等方面具有无可替代的优势，进而成为国内外诸多新型声纳的发展趋势。理想条件下，同等阵元数的矢量阵比声压阵列具有更高的信号处理增益和更窄的波束。但是矢量阵的理想阵列流型保证更为困难，除了要对幅相误差、阵元位置误差校正外，矢量水听器阵元的姿态误差也会对矢量阵的信号处理性能带来影响。声场中质点振速为矢量，具有方向性，阵元姿态误差只对它有影响，对声压通道没有影响，当阵元姿态存在误差且无法准确地获取阵元的姿态信息时，质点振速分量就不能再被利用，这样矢量阵相对于标量阵的优势也就不复存在，因此，对矢量阵阵元姿态误差进行测量和校正是十分必要的。
为了保证矢量阵信号处理的性能，往往需要对实际矢量阵的阵列流型进行测量和校正，影响矢量阵阵列流型误差的因素有：各通道的幅相误差，阵元位置误差以及阵元姿态误差等。这里给出了一种针对二维矢量阵的矢量水听器阵元姿态误差测量和校正方法。
出自声学技术.2009，28(2)的文献《单辅助源矢量阵相位误差校正方法》研究了一种单辅助源矢量阵相位误差校正方法。该方法是当阵列仅存在与声源方位无关的误差形式时，通过设置方位精确已知的辅助声源来对相位误差进行校正的一种行之有效的方法。该方法利用辅助源与基阵之间相对空间位置的先验知识，首先消除所在象限及复阻抗所引起的相位影响，继而实施修改阵列流型后的改进的单辅助源相位校正算法，最后查找参考阵元处声压通道和振速通道间的相位差。是一种针对矢量阵相位误差校正方法，不适用于矢量阵阵元姿态误差校正。
出自应用声学.2015，34(5)的文献《声矢量阵阵元位置及幅相误差有源校正算法》针对声矢量阵幅相误差及阵元位置误差校正问题，基于特征分解法，提出一种简单实用的有源校正算法。该方法需要合作信源的至少3个方位信息，根据声矢量阵的通道特征，利用特征分解法构造矩阵方程组，通过矩阵运算得到声矢量阵阵元位置和幅相误差参数，从而实现对声矢量阵的校正。是一种幅相误差校正方法。
出自兵工学报.2014，35(8)的文献《声矢量阵阵元姿态误差自校正算法研究》分析了阵元姿态误差对声矢量阵波束图的影响。并提出了一种结合MUSIC算法的声矢量阵阵元姿态误差自校正算法。当阵元姿态角度误差服从高斯分布时，通过非线性迭代使目标函数最小化，从而实现阵元姿态误差参数和信源波达方向(DOA)的联合估计。该方法是一种无源校正方法，适用于阵元数目远大于各阵元姿态误差的均值和标准差的情况。对于阵元姿态误差较大的情况迭代时间会迅速增加，甚至导致不收敛的情况。
出自IEEE Trans on A.P.2000,48(5)的文献《Closed-form direction findingand polarization estimation with arbitrarily spaced electromagnetic vector-sensors at unknown locations》提出利用三个到达方向已知的校正源来校正阵元的方向误差的方法。出自数据采集与处理.2009，24(3)的文献《矢量天线阵元方向不一致的误差校正》利用三个参量未知的信号源来校正阵列排列方向不一致引起的方向误差。以上两种方法需要的校正源个数较多，实验组织较复杂。
发明内容
本发明的目的是公开一种解决矢量阵阵元姿态误差测量和校正问题的二维矢量阵阵元姿态误差校正方法。
本发明的目的是这样实现的，包含如下步骤：
(1)利用舰船充当宽带声源目标，即目标源，按照直线航行的方式通过矢量阵的端射方向；
(2)利用矢量阵的声压通道数据进行波束形成，测得目标源直线航行时相对于声压阵的方位随时间的变化值θ(t)；
(3)根据目标源相对于声压阵的方位随时间的变化值θ(t)计算目标源过阵端射方向时刻t0及过阵端射方向角度θ(t0)；
(4)根据目标源过阵端射方向角度θ(t0)计算目标源在过阵时刻相对于阵列在水平面的投影方位θ0，θ0只能为0°或者180°；
(5)利用M个二维矢量水听器对目标源进行方位估计，得到目标源相对于各二维矢量水听器的方位随时间变化值θi(t)，i为矢量水听器序号，值为1、2…M，M为矢量阵的阵元个数；
(6)根据目标源过阵端射方向时刻t0计算各个二维矢量水听器在该时刻对应的方位θi(t0)；
(7)根据目标源过阵端射方向角度θ(t0)与各个矢量水听器在该时刻对应的方位θi(t0)，得到矢量阵的各个阵元姿态误差Δθi；
(8)利用电子旋转对矢量阵的各个阵元姿态误差Δθi进行校正，得到校正后的x轴振速通道信号vxi(t)及y轴振速通道信号vyi(t)。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
本发明的可校正的阵元姿态误差角度范围更大，可实现对0～360°任意角度的阵元姿态误差测量和校正，仅需要一个校正源，且不需要特定的声源设备，可以直接利用测量舰船航行过程中产生的噪声充当测量过程中的声源，按照既定航线直线通过阵列端射方向即可，不需要精确掌握船只的位置信息和记录航线，因此不需要GPS等辅助设备参与，仅需利用信号处理方法判断过阵时刻即可，测量过程简单。
附图说明
图1是一种二维矢量阵阵元姿态误差校正方法的框图；
图2是实验测量方式示意图；
图3是M元二维矢量阵各个阵元姿态误差二维平面示意图；
图4是声压阵方位测量目标源过阵时刻的几何示意图；
图5是声压阵获得的方位时间历程图；
图6是声压阵获得的目标源方位随时间变化图；
图7是第1个二维矢量水听器测得的时间方位历程图；
图8是第1个二维矢量水听器测得的方位随时间变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
设有M元矢量阵直线阵，M为矢量阵的阵元个数，各个基元矢量水听器为二维矢量水听器，可以获得声压信号和二维振速信号，M个声压信号组成声压阵，则第i个矢量水听器声压通道信号Pi(t)，xi’轴振速通道信号Vxi(t)和yi’轴振速通道信号Vyi(t)。如图3，声场中质点振速为矢量，具有方向性，通常情况下，要保证矢量阵的各个矢量水听器的振速通道xi’轴与直线阵列x轴方向一致，则yi’轴要与阵列方向相垂直，即与y轴相垂直。
一种二维矢量阵阵元姿态误差校正方法，包含如下步骤：
(1)利用舰船充当宽带声源目标，即目标源，按照直线航行的方式通过矢量阵的端射方向：
如图2，首先，实验船按照既定航线直线通过阵列端射方向，可采用图中示意的任意一种目标航线，不需要精确掌握船只的位置信息和记录航线，仅需要船只以一个既定距离直线通过阵列的端射方向即可，通过阵列端射方向时距离阵列端射方向最近水平距离R0的取值范围为1千米到3千米。航向角α取值范围为60°～120°或者240°～300°。
(2)利用矢量阵的声压通道数据进行波束形成，测得目标源直线航行时相对于声压阵的方位随时间的变化值θ(t)：
如图4，采用波束形成，如常规波束形成，自适应波束形成，MUSIC波束形成，对实验过程中目标源相对于声压阵的方位随时间的变化值θ(t)进行测量，t代表时间，测得的是一组不同时刻的方位。如图5和图6所示的结果是一组在阵列0°端射方向通过，航向角α为90°，海深100m距离阵端射方向水平通过距离R0为2km的相对于声压阵的方位随时间的变化值θ(t)测量结果，每个时刻取最大值得到的目标源方位随时间变化值结果，是一条方位随时间变化的曲线。
(3)根据目标源相对于声压阵的方位随时间的变化值θ(t)计算目标源过阵端射方向时刻t0及过阵端射方向角度θ(t0)：
目标源直线航行时相对于声压阵的方位随时间变化值θ(t)是一条曲线，如图6，曲线会有一个弯曲的极值点，对应的时刻为目标源过阵端射方向时刻t0，此时对应的方位为目标源过阵端射方向角度θ(t0)。如果目标源的阵列在同一深度平面时该值应为0°即在阵x轴正向过阵或者180°即在阵x轴负向过阵，而实际应用中，阵列往往跟测量船目标源不在同一深度，阵列会深于目标源深度，三维示意图如图4所示。此时，θ(t0)的值无法达到0°或者180°，那么确定过阵端射方向时刻t0及过阵端射方向角度θ(t0)的具体方法为：如果曲线向大于90°的角度方向弯曲则取角度极大值点对应的时间为过阵端射方向时刻t0，取角度的极大值为过阵端射方向角度θ(t0)；如果曲线向小于90°的角度方向弯曲则取角度极小值点对应的时间为过阵端射方向时刻t0，取角度的极小值为过阵端射方向角度θ(t0)。
(4)根据目标源过阵端射方向角度θ(t0)计算目标源在过阵时刻相对于阵列在水平面的投影方位θ0，θ0只能为0°或者180°；如果θ(t0)大于90°，则θ0取180°；如果角度θ(t0)值小于90°则θ0取0°。
(5)利用M个二维矢量水听器对目标源进行方位估计，得到目标源相对于各二维矢量水听器的方位随时间变化值θi(t)，i为矢量水听器序号，值为1、2…M，M为矢量阵的阵元个数：
设第i个矢量水听器测得的声压通道信号为Pi(t)，xi’轴振速通道信号Vxi(t)和yi’轴振速通道信号Vyi(t)，t为时间。Ixi(t)、Iyi(t)为xi’轴方向和yi’轴方向的声强流。计算公式如下：
“<>”表示求几何平均，“-”表示求解时间平均，对于各态历经过程可用时间平均代替几何平均求解，目标源相对于各二维矢量水听器的方位随时间变化值θi(t)由下述公式给出：
上述方式仅为一种方位估计方法。实际方位估计并不仅仅限于这一种方法，也可选择其它方法。例如互谱直方图统计方法等矢量方位估计方法。
图7是第1个二维矢量水听器测得的时间方位历程图；图8是第1个二维矢量水听器测得的方位随时间变化图；图7、图8的条件与获得图5和图6时设定的基本假设条件相同，假设1号阵元的安装姿态误差为313°。图8是图7每个时刻目标源对应的方位提取的结果，是一条方位时间曲线，即1号二维矢量水听器的方位随时间变化值θ1(t)。
(6)根据目标源过阵端射方向时刻t0计算各个二维矢量水听器在该时刻对应的方位θi(t0)，即将时间t0代入θi(t)得到θi(t0)值；
如图8，在t0为100s的时刻获得的1号二维矢量水听器的方位随时间变化值θ1(t0)为47°。
(7)根据目标源过阵端射方向角度θ(t0)与各个矢量水听器在该时刻对应的方位θi(t0)，得到矢量阵的各个阵元姿态误差Δθi：
Δθi＝F(θ0-θi(t0))360。
F()360表示对360°求余数。
如图6和图8，在这两幅图的预设仿真条件下测得的1号二维矢量水听器安装姿态误差Δθ1的测量结果为313°，与预设值一致。可按照步骤5到步骤7的步骤重复执行M次，即可获得全部M个阵元的安装姿态误差值。
(8)利用电子旋转对矢量阵的各个阵元姿态误差Δθi进行校正，得到校正后的x轴振速通道信号vxi(t)及y轴振速通道信号vyi(t)：
这里必须指出的是，本发明给出的其他未说明的部分都是为本领域人员公知的，根据本发明所述的名称或功能，本领域技术人员就能够找到相关记载的文献，因此未进一步说明。
Claims (6)
1.一种二维矢量阵阵元姿态误差校正方法，其特征在于：包含如下步骤：
(1)利用舰船充当宽带声源目标，即目标源，按照直线航行的方式通过矢量阵的端射方向；
(2)利用矢量阵的声压通道数据进行波束形成，测得目标源直线航行时相对于声压阵的方位随时间的变化值θ(t)；
(3)根据目标源相对于声压阵的方位随时间的变化值θ(t)计算目标源过阵端射方向时刻t0及过阵端射方向角度θ(t0)；
(4)根据目标源过阵端射方向角度θ(t0)计算目标源在过阵时刻相对于阵列在水平面的投影方位θ0，θ0只能为0°或者180°；
(5)利用M个二维矢量水听器对目标源进行方位估计，得到目标源相对于各二维矢量水听器的方位随时间变化值θi(t)，i为矢量水听器序号，值为1、2…M，M为矢量阵的阵元个数；
(6)根据目标源过阵端射方向时刻t0计算各个二维矢量水听器在该时刻对应的方位θi(t0)；
(7)根据目标源过阵端射方向角度θ(t0)与各个矢量水听器在该时刻对应的方位θi(t0)，得到矢量阵的各个阵元姿态误差Δθi；
(8)利用电子旋转对矢量阵的各个阵元姿态误差Δθi进行校正，得到校正后的x轴振速通道信号vxi(t)及y轴振速通道信号vyi(t)。
2.根据权利要求1所述的一种二维矢量阵阵元姿态误差校正方法，其特征在于：所述的直线航行，通过阵列端射方向时距离阵列端射方向最近水平距离R0的取值范围为1千米到3千米，航向角α取值范围为60°到120°或者240°到300°。
3.根据权利要求1所述的一种二维矢量阵阵元姿态误差校正方法，其特征在于：所述的过阵时刻相对于阵列在水平面的投影方位θ0，如果过阵端射方向角度θ(t0)大于90°，则θ0取180°；如果角度θ(t0)值小于90°则θ0取0°。
4.根据权利要求1所述的一种二维矢量阵阵元姿态误差校正方法，其特征在于：所述的相对于各二维矢量水听器的方位随时间变化值θi(t)：
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Ixi(t)为xi’轴方向的声强流，Iyi(t)为yi’轴方向的声强流，Pi(t)为第i个矢量水听器测得的声压通道信号，Vxi(t)为xi’轴振速通道信号，Vyi(t)为yi’轴振速通道信号，“<>”表示求几何平均，“-”表示求解时间平均。
5.根据权利要求1所述的一种二维矢量阵阵元姿态误差校正方法，其特征在于：所述的矢量阵的各个阵元姿态误差Δθi：
Δθi＝F(θ0-θi(t0))360，
F()360表示对360°求余数。
6.根据权利要求1所述的一种二维矢量阵阵元姿态误差校正方法，其特征在于：所述的校正后的x轴振速通道信号vxi(t)及y轴振速通道信号vyi(t)：
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