CN110068798B - 水下自主航行器的四元接收稀疏阵型及接收信号方法 - Google Patents

水下自主航行器的四元接收稀疏阵型及接收信号方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水下自主航行器的四元接收稀疏阵型及接收信号方法，包括四个水听器P1、P2、P3和P4；其特征在于：P1为原点，P2与P1位于同一直线且P2于航行器的航行方向，P1、P3和P4位于同一直线上且与航行方向垂直；其中：P1与P2阵元之间的间距与P1与P3阵元之间的间距相等，且满足条件d≤λ/2；P1与P4阵元之间的间距d≥λ/2；所述λ为发射声信号的波长。本发明的有益效果是：四元稀疏阵在阵元数有限的情况下，结合相应的DOA估计算法实现空间波达方向估计，没有提升算法复杂度，反而提高了方向的估计精度，并且阵型小巧轻便，易于实现，可以搭载在水下自主航行器上工作。

Description

水下自主航行器的四元接收稀疏阵型及接收信号方法
技术领域
本发明属于下自主航行器水声定位系统技术领域，涉及一种水下自主航行器的四元接收稀疏阵型及接收信号方法，具体涉及一种应用于运动的水下自主航行器水声定位系统的四元接收稀疏阵型的设计，及方位角和俯仰角的估计方法。
背景技术
水下自主航行器(AUV)无论在民用还是军事方面都存在广泛的应用，其在海洋探索、科技教育等方面具有很多潜在价值，在海洋开发日益重要的现在，越来越得到各个国家的重视。将水声定位系统搭载在AUV上，能够完成对水下目标的定向和定位，从而实现自主导航、目标探测、搜寻等功能。相比于其他载体，声波在水介质中传播时衰减更慢、传播距离更远，因此以声波作为信息载体的水声定位系统成为主要选择，能完成对目标的探测和定位。搭载在AUV上的被动水声定位系统通常由接收基阵、信号调理模块、信号采集模块以及信号处理模块组成，其中接收基阵接收信号，信号调理模块完成对接收信号放大、滤波等预处理，信号采集模块完成对信号的空间采样，信号处理模块进行信号检测以及声源目标定位。对于运动的水下自主航行器，由于受航行器自身及运动状态的限制，其DOA定向系统具有以下三个特点：(1)可携带的阵元个数有限；(2)对接收信号处理的实时性要求高；(3)需要完成二维的空间波达方向估计。对于接收基阵，阵元个数、阵列孔径、阵元布放方式等都会对DOA定向精度产生影响，在阵元个数非常有限的情况下，布阵方式对实现二维定向以及获得更好的定向精度就显得尤为重要。此外随着阵列孔径的增加，DOA定向精度也会获得相应的提高，因此可以通过增加阵元间距获得大的基阵孔径，但在定向系统的角度观测范围内，当阵元间距大于某临界值时会出现方位模糊问题。金磊磊等在“金磊磊,马艳.任意四元阵的定位盲区讨论及误差影响[J].探测与控制学报,2015,37(02):90-94+104.”中探讨了四元阵间距对模糊区域的影响，但文中采用的阵元间距仍是均匀的，对阵列排布有一定的限制。韩佳辉等在“韩佳辉,毕大平,陈璐.基于矢量修正的稀疏阵列测向解模糊方法[J].探测与控制学报,2018,40(01):94-99+104.”中提出了一种应用于稀疏阵列解模糊的方法，是在原稀疏阵列的特定位置添加一个新的阵元，对原阵列的导向矢量进行修正来达到解模糊的目的，但是在阵元数有限的情况下不适用。因此如何利用有限阵元稀疏阵列提高定向精度并解决方位模糊的问题是研究的重点。
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，本发明提出一种水下自主航行器的四元接收稀疏阵型及接收信号方法，以运动的水下自主航行器为工作平台，克服利用个数极其有限的水听器实现信号波达方向二维估计的问题。
技术方案
一种水下自主航行器的四元接收稀疏阵型，包括四个水听器P1、P2、P3和P4；其特征在于：P1为原点，P2与P1位于同一直线且P2于航行器的航行方向，P1、P3和P4位于同一直线上且与航行方向垂直；其中：P1与P2阵元之间的间距与P1与P3阵元之间的间距相等，且满足条件d≤λ/2；P1与P4阵元之间的间距d≥λ/2；所述λ为发射声信号的波长。
一种利用所述水下自主航行器的四元接收稀疏阵型接收信号方法，其特征在于接收信号的处理步骤如下：
步骤1：对任一阵元接收信号进行时域检测，得到信号直达波的边缘位置；
步骤2：对任一阵元接收信号进行FFT频域变换，得到接收到信号的频率；
步骤3：对四个阵元接收到的信号，从直达波的边缘位置起，各截取同样长度的信号片段；利用阵元P1和P2的信号片段，使用互功率谱法得到角度
Figure BDA0002033799340000021
利用阵元P1和P3的信号片段，使用互功率谱法得到角度
Figure BDA0002033799340000022
利用阵元P1和P4的信号片段，使用互功率谱法得到角度
Figure BDA0002033799340000031
步骤4：根据
Figure BDA0002033799340000032
和
Figure BDA0002033799340000033
对
Figure BDA0002033799340000034
进行阶梯法补偿，得到补偿后的角度
Figure BDA0002033799340000035
原则见下表：
Figure BDA0002033799340000036
补偿系数δ1、δ2和δ3为[60°，75°]，δ1＜δ2＜δ3；
步骤5：声源方向向量为
Figure BDA0002033799340000037
阵元P2到阵元P1的单位向量为
Figure BDA0002033799340000038
阵元P3到阵元P1的单位向量为
Figure BDA0002033799340000039
阵元P4到阵元P1的单位向量为
Figure BDA00020337993400000310
得：
Figure BDA00020337993400000311
方程(1)和(2)可以解得一个声源的二维坐标
Figure BDA00020337993400000312
方程(1)和(3)同样解得一个二维坐标
Figure BDA00020337993400000313
按照几何关系，利用以下公式计算得到两个水平角
Figure BDA00020337993400000314
和两个俯仰角
Figure BDA00020337993400000315
Figure BDA00020337993400000316
Figure BDA00020337993400000317
步骤6：由以上计算得到两组水平角和俯仰角的估计值
Figure BDA0002033799340000041
和
Figure BDA0002033799340000042
按照取平均计算得到最终的水平角估计值
Figure BDA0002033799340000043
和
Figure BDA0002033799340000044
有益效果
本发明提出的一种水下自主航行器的四元接收稀疏阵型及接收信号方法，
本发明的有益效果是：四元稀疏阵在阵元数有限的情况下，结合相应的DOA估计算法实现空间波达方向估计，没有提升算法复杂度，反而提高了方向的估计精度，并且阵型小巧轻便，易于实现，可以搭载在水下自主航行器上工作。
附图说明
图1是本发明所使用坐标系设置示意图。
图2是本发明的均匀四元T型阵阵型示意图。
图3是本发明的四元稀疏阵阵型示意图。
图4是稀疏四元T型阵三维俯视图。
图5是稀疏四元T型阵三维侧视图。
1-连接件(与AUV连接)，2-固定件，3-水听器
图6是搭载稀疏四元T型阵的水下自主航行器。
图7是实验场地设置示意图。
图8是AUV水声定位系统工作流程图。
图9是水平角误差仿真结果示意图。
图10是俯仰角误差仿真结果示意图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明提出了基于互谱法的四元稀疏阵型，假设声源与接收阵之间的距离符合远场条件，即入射到接收阵的声信号为平面波。按图1所示的方式建立坐标系并作如下规定：以水下自主航行器上某点作为坐标系的原点O，y轴方向是航行器的航行方向，x轴是垂直于航行方向的轴，z轴方向是深度方向；入射声线在xoy平面上的投影与x轴的夹角为方位角(水平角)θ，入射声线与入射声线在xoy平面上的投影的夹角为俯仰角
Figure BDA0002033799340000059
经典四元阵型是利用4个水听器构成的均匀四元T型阵，该阵型可以实现对单频信号空间波达方位的估计，包括水平角和俯仰角。接收阵型的模型如图2所示，为了简便计算，将阵元1设置在上述坐标系的原点O上，阵元2在y轴上，阵元3和阵元4在x轴上。利用的1、3、4号阵元实现信号入射水平角θ的估计，而1、2号阵元的接收信号可用于估计俯仰角
Figure BDA0002033799340000051
对于均匀四元T型阵，为避免出现测向模糊的问题，要求各阵元间距满足条件d≤λ/2。
搭载在运动的水下自主航行器上的均匀四元T型阵主要实现对信号形式已知的单频信号的检测和声波入射方向的二维估计，但其测向精度受到基阵孔径大小的限制。以上述均匀T型阵为基础，增加横向上1、4两阵元间距构成四元稀疏阵，其模型如图3所示，其中1号与2、3号阵元之间的间距均满足条件d≤λ/2，但1、4号阵元间距d≥λ/2，实际间距可根据应用情况选择。四元稀疏阵能够实现空间波达方位估计，同时由于增加了基阵孔径，经修正后的估计角度可以获得更高的精度。
对于四元稀疏阵，其接收信号具体的处理步骤如下:
步骤1：对阵元1接收信号进行时域检测，检测到信号直达波的边缘位置；
步骤2：对阵元1信号进行FFT频域变换，检测接收到信号的频率；
步骤3：对四个阵元接收到的信号，从直达波的边缘位置起，各截取同样长度的片段；分别利用阵元1和2、阵元1和3、阵元1和4的信号片段，使用互功率谱法得到三个角度
Figure BDA0002033799340000052
和
Figure BDA0002033799340000053
步骤4：根据
Figure BDA0002033799340000054
和
Figure BDA0002033799340000055
对
Figure BDA0002033799340000056
进行阶梯法补偿，补偿系数根据
Figure BDA0002033799340000057
和
Figure BDA0002033799340000058
的数据进行选择，如表1所示，得到补偿后的角度
Figure BDA0002033799340000061
补偿系数δ1、δ2和δ3根据经验在[60°，75°]范围内补偿效果最佳。
表1
Figure BDA0002033799340000062
补偿系数δ1、δ2和δ3为[60°，75°]，δ1＜δ2＜δ3；
步骤5：设声源方向向量为
Figure BDA0002033799340000063
阵元2到阵元1的单位向量为
Figure BDA0002033799340000064
阵元3到阵元1的单位向量为
Figure BDA0002033799340000065
阵元4到阵元1的单位向量为
Figure BDA0002033799340000066
由几何关系可列出如下三个方程：
Figure BDA0002033799340000067
方程(1)和(2)可以解得一个声源的二维坐标
Figure BDA0002033799340000068
方程(1)和(3)同样可以解得一个二维坐标
Figure BDA0002033799340000069
按照几何关系，水平角
Figure BDA00020337993400000610
和俯仰角
Figure BDA00020337993400000611
可由以下公式计算得到：
Figure BDA00020337993400000612
Figure BDA00020337993400000613
步骤6：由以上计算得到两组水平角和俯仰角的估计值
Figure BDA00020337993400000614
和
Figure BDA00020337993400000615
按照取平均计算得到最终的水平角估计值
Figure BDA00020337993400000616
和
Figure BDA00020337993400000617
具体实施例：
稀疏四元T型阵由4个水听器构成，如图4和图5所示，所使用水听器型号为ResonTC4013，将其搭载在图6所示的水下自主航行器上，在水池内完成声源目标搜寻的实验。声源目标的型号为ULB-362，该pinger能够发射频率为25-40kHz的单频脉冲信号，信号周期1s，脉冲宽度10ms。实验场地的设置如图7，其中Starting Zone为航行器初始放置及开始工作的位置，Flare为立杆并且顶端放置工作频率为37.5kHz的pinger，Gate为宽度为150cm的门，drum为4个红色的圆盆，等间隔地放置在8m×2m的区域内，其中一个圆盆内放置工作频率为40kHz的pinger。实验内容具体分为以下几步：
步骤1：航行器从start区域开始工作，控制航行器直行通过gate；
步骤2：依靠水声定位系统进行导航，搜寻37.5kHz的声源目标flare，当黄色立杆进入水下相机视角范围后结合图像信息及声源定向信息，完成撞杆任务；
步骤3：撞杆后仍切换为水声定位系统导航，搜寻40kHz的声源目标drum，通过俯仰角估计值
Figure BDA0002033799340000071
确定是否到达drum上方，航行器控制机械臂抓取盆内小球，完成任务。
搭载于水下自主航行器上的水声定位系统，其工作流程图如图8所示。根据实验中所采集数据的处理结果，采用稀疏四元T型阵对目标声源进行定向，在实验中能够顺利完成寻找37.5kHz和40kHz声源目标的任务。对于四元稀疏阵，当信噪比为-20dB时，在其工作范围内对不同位置声源目标的水平角和俯仰角进行估计。以图2所示设置坐标系和阵列，声源目标的深度z＝3m，坐标范围x∈[-10,10]，y∈[-10,10]，其水平角估计误差结果如图9所示，俯仰角估计误差结果如图10所示。图中每一点的坐标表示声源目标的坐标，不同颜色表示估计误差的大小，可以看到误差基本都在2度以内。

Claims (1)

1.一种水下自主航行器的四元接收稀疏阵型，包括四个水听器P1、P2、P3和P4；其特征在于：P1为原点，P2与P1位于同一直线且P2于航行器的航行方向，P1、P3和P4位于同一直线上且与航行方向垂直；其中：P1与P2阵元之间的间距与P1与P3阵元之间的间距相等，且满足条件d≤λ/2；P1与P4阵元之间的间距d≥λ/2；所述λ为发射声信号的波长；接收信号的处理步骤如下：
步骤1：对任一阵元接收信号进行时域检测，得到信号直达波的边缘位置；
步骤2：对任一阵元接收信号进行FFT频域变换，得到接收到信号的频率；
步骤3：对四个阵元接收到的信号，从直达波的边缘位置起，各截取同样长度的信号片段；利用阵元P1和P2的信号片段，使用互功率谱法得到角度
Figure QLYQS_1
利用阵元P1和P3的信号片段，使用互功率谱法得到角度
Figure QLYQS_2
利用阵元P1和P4的信号片段，使用互功率谱法得到角度
Figure QLYQS_3
步骤4：根据
Figure QLYQS_4
和
Figure QLYQS_5
对
Figure QLYQS_6
进行阶梯法补偿，得到补偿后的角度
Figure QLYQS_7
原则如下：
当
Figure QLYQS_8
符号为正时，
Figure QLYQS_9
的值大于30度时，补偿系数为-δ1；
Figure QLYQS_10
的值大于20度、小于30度时，补偿系数为-δ2；
Figure QLYQS_11
的值小于20度时，补偿系数为-δ3；
当
Figure QLYQS_12
符号为负时，
Figure QLYQS_13
的值大于30度时，补偿系数为δ1；
Figure QLYQS_14
的值大于20度、小于30度时，补偿系数为δ2；
Figure QLYQS_15
的值小于20度时，补偿系数为δ3；
补偿系数δ1、δ2和δ3为[60°，75°]，δ1<δ2<δ3；
步骤5：声源方向向量为
Figure QLYQS_16
阵元P2到阵元P1的单位向量为
Figure QLYQS_17
阵元P3到阵元P1的单位向量为
Figure QLYQS_18
阵元P4到阵元P1的单位向量为
Figure QLYQS_19
得：
Figure QLYQS_20
方程(1)和(2)可以解得一个声源的二维坐标
Figure QLYQS_21
方程(1)和(3)同样解得一个二维坐标
Figure QLYQS_22
按照几何关系，利用以下公式计算得到两个水平角的估计值
Figure QLYQS_23
和两个俯仰角的估计值
Figure QLYQS_24
Figure QLYQS_25
步骤6：由以上计算得到两组水平角和俯仰角的估计值
Figure QLYQS_26
和
Figure QLYQS_27
按照取平均计算得到最终的水平角估计值
Figure QLYQS_28
和俯仰角估计值
Figure QLYQS_29
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