CN110703258B - 水下探测基阵通道间相位一致性校准方法 - Google Patents

水下探测基阵通道间相位一致性校准方法 Download PDF

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Abstract

水下探测基阵通道间相位一致性校准方法，属于水下探测基阵声学测试技术领域。本发明解决了现有水下探测基阵的通道间相位一致性存在偏差时导致方位估计结果准确性差，且多个水下基阵逐一进行通道间一致性校准效率低的问题。本发明在设置的水下测试环境内，利用多个探测基阵的GPS位置，对声源的位置进行估计，再利用声源位置求取各探测基阵不同频点处各探测通道之间的相位一致性校准误差数据；然后利用所述相位一致性校准误差数据，实现对多个水下探测基阵通道间相位一致性校准。本发明适用于多基阵同时进行通道间相位一致性校准。

Description

水下探测基阵通道间相位一致性校准方法
技术领域
本发明属于水下探测基阵声学测试技术领域，具体涉及一种水下探测基阵通道间相位一致性校准方法。
背景技术
具有测向能力的水下探测基阵的每个通道间相位一致性存在误差时，将导致方位估计结果变差，因此，在探测基阵使用前需要对基阵通道间的相位一致性进行校准。
但是现有探测基阵通道间相位一致性校准在校准声源信号频率较低时，由于低频声源体积大，采用水池进行校准难以满足自由场的条件，校准的准确率低；若是采用外场环境进行校准，由于低频声源重量大，无法进行固定，且与GPS装置之间只能采用柔性连接，这样导致GPS对水下低频声源定位的准确性明显降低。
同时外场探测环境噪声对相位估计具有严重影响，校准结果的信噪比较高；且当需要校准的水下基阵数目较多时，由于采用GPS进行定位，需要根据每个基阵的GPS位置与声源的GPS位置逐个对探测基阵进行声源方位确定，这样进行宽频带校准时，效率较低。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有水下探测基阵的通道间相位一致性存在偏差时导致方位估计结果准确性差，且多个水下基阵逐一进行通道间一致性校准效率低的问题。提出了一种水下探测基阵通道间相位一致性校准方法。
本发明所述的一种水下探测基阵通道间相位一致性校准方法，该方法具体为：
在设置的水下测试环境内，利用多个探测基阵的GPS位置，对声源的位置进行估计，再利用声源位置求取各探测基阵不同频点处各探测通道之间的相位一致性校准误差数据；
然后利用所述相位一致性校准误差数据，实现对多个水下探测基阵通道间相位一致性校准。
所述求取探测基阵不同频点处各探测通道之间的相位一致性校准误差数据的方法具体为：
步骤一、在设定的水下测试环境内，布放多个探测基阵和一个声源；每个探测基阵包括多个阵元，每个阵元对应一个探测通道，每个探测基阵还包括GPS装置和罗经；
步骤二、令声源发射大功率宽带信号，多个探测基阵联合对声源位置坐标进行估计；
步骤三、利用估计获得的声源位置坐标和探测基阵的GPS定位信息，获得声源相对各探测基阵的方位；
步骤四、利用罗经采集的航向信息和声源相对各探测基阵的方位，获得每个探测基阵各探测通道之间不同频点处的参考相位差；
步骤五、对每个探测基阵各探测通道接收的时域波形数据分别进行傅里叶变换，获得每个探测基阵不同频点处各探测通道之间的相位差；
步骤六、每个探测基阵不同频点处各探测通道之间的相位差减去与其对应的参考相位差作差，每个探测基阵获得一组不同频点处各探测通道间相位一致性校准误差数据；
步骤七、重复执行步骤二到步骤六，直至获得n组相位一致性校准误差数据，对相位一致性校准误差进行去噪声处理，完成每个探测基阵不同频点处各探测通道之间的相位一致性校准误差数据的求取，n为大于或等于10的整数。
进一步地，步骤一所述布放多个探测基阵和一个声源的具体方法为：令声源与多个探测基阵位于同一水平面内或接近同一水平面内。
进一步地，步骤四中所述获得每个探测基阵各探测通道之间不同频点处的参考相位差的具体方法为：
步骤四一、在探测基阵所在水平面内建立基阵坐标系，利用罗经采集的航向信息，对声源相对于各探测基阵的方位进行修正，获得基阵坐标系内声源相对各探测基阵的相对方位；
步骤四二、利用步骤四一获得的相对方位，根据每个探测基阵阵元间的相对位置，获得每个探测基阵各探测通道间接收声源信号的时延差；
步骤四三、利用步骤四二获得的时延差，计算获得每个探测基阵各探测通道之间不同频点处的参考相位差。
进一步地，步骤七中对每对相位一致性校准误差进行去噪声处理的具体方法为：
对每个探测基阵每个频点处的n组数据求算术平均值，实现对每个探测基阵不同频点处各探测通道间相位一致性校准误差数据去噪声。
本发明采用不依赖GPS定位的方式对声源进行定位，有效的避免了GPS对水下低频声源定位准确性差的问题，通过单声源发射信号利用多个水下探测基阵联合对声源进行定位，实现了同时对多个探测基阵个通道间相位一致性的校准。在校准过程中，先进行基阵各探测通道间相位差的求取，再根据多探测基阵的位置确定声源的位置，利用阵元的相对位置计算获得通道间信号的参考相位差(理论相位差)，再由探测基阵不同通道接收的信号计算通道间不同频点的相位差，获取相位一致性校准误差，并采用求算数平均值的方式对所述相位一致性校准误差数据进行去噪声处理，获得探测基阵中每个探测基阵各探测通道间准确的相位一致性误差，实现同时获得多个探测基阵各探测通道之间的准确相位一致性误差，所述准确相位一致性校准误差可用于对各探测通道接收的信号进行校准，有效的提高了水下探测基阵的方位估计精度和探测能力。
附图说明
图1是具体实施方式一所述的多水下基阵同时校准的几何配置图。
图2为具体实施方式一所述的四元十字阵阵型，图中a为阵元与坐标系中心0点之间的距离值。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种水下探测基阵通道间相位一致性校准方法，该方法具体为：
在设置的水下测试环境内，利用多个探测基阵的GPS位置，对声源的位置进行估计，再利用声源位置求取各探测基阵不同频点处各探测通道之间的相位一致性校准误差数据；
然后利用所述相位一致性校准误差数据，实现对多个水下探测基阵通道间相位一致性校准。
所述求取探测基阵不同频点处各探测通道之间的相位一致性校准误差数据的方法具体为：
步骤一、在设置的水下测试环境内，布放多个探测基阵和一个声源；每个探测基阵包括多个阵元，每个阵元对应一个探测通道，每个探测基阵还包括GPS装置和罗经；
步骤二、令声源发射大功率宽带信号，多个探测基阵联合对声源位置坐标进行估计；
步骤三、利用估计获得的声源位置坐标和探测基阵的GPS定位信息，获得声源相对各探测基阵的方位；
步骤四、利用罗经采集的航向信息和声源相对各探测基阵的方位，获得每个探测基阵各探测通道之间不同频点处的参考相位差；
步骤五、对每个探测基阵各探测通道接收的时域波形数据分别进行傅里叶变换，获得每个探测基阵不同频点处各探测通道之间的相位差；
步骤六、每个探测基阵不同频点处各探测通道之间的相位差减去与其对应的参考相位差作差，每个探测基阵获得一组不同频点处各探测通道间相位一致性校准误差数据；
步骤七、重复执行步骤二到步骤六，直至获得n组相位一致性校准误差数据，对相位一致性校准误差进行去噪声处理，完成每个探测基阵不同频点处各探测通道之间的相位一致性校准误差数据的求取，n为大于或等于10的整数。
本实施方式中，声源以一定周期发送大功率宽带信号，周期大于声源到各探测基阵传播时间的两倍。信号的形式为线性调频信号，信号频带即为待校准的频带；脉宽为1s，时间带宽积大于500。信号功率既要满足接收的信号信噪比大于10dB，又要保证不限幅。
探测基阵的时钟与GPS时钟同步。
进一步地，步骤一所述布放多个探测基阵和一个声源的具体方法为：令声源与多个探测基阵位于同一水平面内或接近同一水平面内。
本实施方式中，本实施方式中，设定的水下环境为外场水域，选择水深大于20米，水底较为平坦，面积大于1000平方米的湖泊或者海洋。
声源从船上布放到一半水深的位置。各四元十字阵尽量均匀布放在以声源为圆心，半径为20倍水深的圆环上，深度与声源相同。
探测基阵的位置可以由GPS测量得到。
进一步地，步骤四中所述获得每个探测基阵各探测通道之间不同频点处的参考相位差的具体方法为：
步骤四一、在探测基阵所在水平面内建立基阵坐标系，利用罗经采集的航向信息，对声源相对于各探测基阵的方位进行修正，获得基阵坐标系内声源相对各探测基阵的相对方位；
步骤四二、利用步骤四一获得的相对方位，根据每个探测基阵阵元间的相对位置，获得每个探测基阵各探测通道间接收声源信号的时延差；
步骤四三、利用步骤四二获得的时延差，计算获得每个探测基阵各探测通道之间不同频点处的参考相位差。
进一步地，步骤七中对每对相位一致性校准误差进行去噪声处理的具体方法为：
对每个探测基阵每个频点处的n组数据求算术平均值，实现对每个探测基阵不同频点处各探测通道间相位一致性校准误差数据去噪声。
本实施方式中，四元十字阵为例，利用四个波浪滑翔器同时布放四套探测基阵，从水面船上吊放一套声源装置。其中每套探测基阵的阵型均如图2所示，四元十字阵包括四个阵元，每个阵元对应1个探测通道。
已知各探测基阵的GPS位置坐标：i＝1,2,3,4表示探测基阵编号。第i号探测基阵第 j通道接收的时域信号为si,j(t),t表示时间，j＝1,2,3,4。
不失一般性，取第m号探测基阵第1通道信号sm,1(t)和第n号探测基阵第1通道信号sn,1(t)进行相关，其中m为1、2、3或4；n为1、2、3或4。
Figure GDA0003736690340000051
式中Rmn(τ)表示相关结果，是时间延迟τ的函数，sn,1(t-τ)表示将信号sn,1(t)延时τ后的信号。τm,n表示声信号传播到第m号探测基阵和第n号探测基阵的时延差。得到2，3，4三个探测基阵相对与1号探测基阵的时延差τ1,2τ1,3和τ1,4由双曲定位方位有：
Figure GDA0003736690340000052
Figure GDA0003736690340000053
Figure GDA0003736690340000054
式中c为声速。
对上述三个方程联立求解(x,y)得到声源的位置为(x0,y0)。
对于第1号探测基阵GPS位置为(x1,y1)，声源位置为(x0,y0)，计算出声源相对于阵元1的方位为：
Figure GDA0003736690340000055
式中tan-1(·)表示求反正切。
利用1号探测基阵的罗经数据θ1,c对方位角θ1进行修正得到1号基阵坐标系下声源的相对方位：
θ1re＝θ1-θ1c (6)
θ1re为1号探测基阵坐标系下声源相对于探测基阵的方位角，根据四元十字的阵型，有：
Figure GDA0003736690340000061
Figure GDA0003736690340000062
式中d13表示阵元1和阵元3的距离，d24表示阵元2和阵元4的距离。对于图2 中所示阵型d13＝2a，d24＝2a，图2中的(0，a)、(0，-a)、(a，0)和(-a，0)分别代表4个探测基阵的坐标。
则有
Figure GDA0003736690340000063
Figure GDA0003736690340000064
其中，f表示信号频率，
Figure GDA0003736690340000065
为阵元1和阵元3的参考相位差、
Figure GDA0003736690340000066
为阵元2和阵元 4的参考相位差；τ240为阵元2和阵元4的参考时延差，τ130为阵元1和阵元3的参考时延差。
为实现本发明的目的，对第1号探测基阵的4个通道信号s1,j(t)分别进行傅里叶变换，得到S1,j(f)：
S1,j(f)＝FT(s1,j(t)) (11)
这里FT(·)表示傅里叶变换。
将第i号探测基阵通道m和通道n信号的傅里叶变换结果共轭相乘，得到互谱结果
Figure GDA0003736690340000067
Figure GDA0003736690340000068
H表示共轭。
根据此式可以求得1、3探测通道互谱
Figure GDA0003736690340000069
和2、4探测通道的互谱
Figure GDA00037366903400000610
取频率f处互谱的辐角即可得到对应的相位差估计结果：
Figure GDA0003736690340000071
Figure GDA0003736690340000072
式中Arg(·)表示对复数取辐角主值。
接收信号的相位差与参考相位差相减得到系统相位差作差：
Figure GDA0003736690340000073
Figure GDA0003736690340000074
获得第1号探测基阵通道1与通道3的相位一致性校准误差，通道2与通道4的相位一致性校准误差，同理计算其他阵元各探测通道之间的相位一致性校准误差。
对多个周期重复上述计算过程，将结果求平均值，即为去除噪声影响后的相位一致性校准误差，即为准确相位一致性校准误差。
利用相同的数据重复上面的计算过程可以求得其余探测基阵的相位一致性误差估计结果。
本实施方式仅仅描述了阵型为四元十字阵的探测基阵通道间相位一致性的校准方法，本方法仍然适用于所有具有水平方位测向能力的水下探测基阵的通道间相位一致性误差校准。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (4)

1.水下探测基阵通道间相位一致性校准方法，其特征在于，该方法具体为：
在设置的水下测试环境内，利用多个探测基阵的GPS位置，对声源的位置进行估计，再利用声源位置求取各探测基阵不同频点处各探测通道之间的相位一致性校准误差数据；
然后利用所述相位一致性校准误差数据，实现对多个水下探测基阵通道间相位一致性校准；
所述求取探测基阵不同频点处各探测通道之间的相位一致性校准误差数据的方法具体为：
步骤一、在设定的水下测试环境内，布放多个探测基阵和一个声源；每个探测基阵包括多个阵元，每个阵元对应一个探测通道，每个探测基阵还包括GPS装置和罗经；
步骤二、令声源发射大功率宽带信号，多个探测基阵联合对声源位置坐标进行估计；
步骤三、利用估计获得的声源位置坐标和探测基阵的GPS定位信息，获得声源相对各探测基阵的方位；
步骤四、利用罗经采集的航向信息和声源相对各探测基阵的方位，获得每个探测基阵各探测通道之间不同频点处的参考相位差；
步骤五、对每个探测基阵各探测通道接收的时域波形数据分别进行傅里叶变换，获得每个探测基阵不同频点处各探测通道之间的相位差；
步骤六、每个探测基阵不同频点处各探测通道之间的相位差减去与其对应的参考相位差作差，每个探测基阵获得一组不同频点处各探测通道间相位一致性校准误差数据；
步骤七、重复执行步骤二到步骤六，直至获得n组相位一致性校准误差数据，对相位一致性校准误差进行去噪声处理，完成每个探测基阵不同频点处各探测通道之间的相位一致性校准误差数据的求取，n为大于或等于10的整数。
2.根据权利要求1所述水下探测基阵通道间相位一致性校准方法，其特征在于，步骤一所述布放多个探测基阵和一个声源的具体方法为：令声源与多个探测基阵位于同一水平面内或接近同一水平面内。
3.根据权利要求2所述水下探测基阵通道间相位一致性校准方法，其特征在于，步骤四中所述获得每个探测基阵各探测通道之间不同频点处的参考相位差的具体方法为：
步骤四一、在探测基阵所在水平面内建立基阵坐标系，利用罗经采集的航向信息，对声源相对于各探测基阵的方位进行修正，获得基阵坐标系内声源相对各探测基阵的相对方位；
步骤四二、利用步骤四一获得的相对方位，根据每个探测基阵阵元间的相对位置，获得每个探测基阵各探测通道间接收声源信号的时延差；
步骤四三、利用步骤四二获得的时延差，计算获得每个探测基阵各探测通道之间不同频点处的参考相位差。
4.根据权利要求1或3所述水下探测基阵通道间相位一致性校准方法，其特征在于，步骤七中对每对相位一致性校准误差进行去噪声处理的具体方法为：
对每个探测基阵每个频点处的n组数据求算术平均值，实现对每个探测基阵不同频点处各探测通道间相位一致性校准误差数据去噪声。
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