CN113589299A - 一种基于最优化模型的拖曳线列阵阵形估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于最优化模型的拖曳线列阵阵形估计方法。通过时延信息确定的阵元坐标测量值；将两声源坐标、和阵元坐标测量值作为已知量，以各阵元坐标估计值作为变量，构建最优化问题的目标函数；通过求解最优化问题，得到各阵元坐标估计值，完成拖曳线列阵的阵形估计。本方法可有效估计拖曳线列阵阵形，无需GPS等外部信息输入，有效降低时延测量误差对阵形估计的影响，同时该方法适用于任何形状阵形的估计。

Description

一种基于最优化模型的拖曳线列阵阵形估计方法
技术领域
本发明涉及电子设备的声纳领域，特别是涉及了一种基于最优化模型的拖曳线列阵阵形估计方法。
背景技术
拖曳线列阵声纳具有基阵孔径较少受平台空间制约、工作频率低和远离拖曳平台噪声源等优点，广泛用于水面舰和潜艇等水下目标的探测和跟踪任务。拖曳线列阵声纳的重要组成部分是按直线排列的阵元。
阵形估计是拖曳线列阵的关键技术之一。拖曳线列阵在水中由母船拖曳使用时，母船的机动或局部涡流等因素导致拖曳线列阵阵形畸变，具体表现为各阵元不再位于一条直线上，导致波束形成质量降低，拖曳线列阵探测性能下降。通过估计畸变后的拖曳线列阵阵形，并在信号处理算法中进行相应的补偿，可以很大程度上消除阵形畸变对拖曳线列阵波束质量和探测性能的不利影响。
已报道的一种双声源交点定位方法，首先确定各阵元到两个声源的距离，再利用圆交点确定各阵元位置，但是该方法的阵形估计结果受时延测量误差影响较大。利用单声源测量声脉冲信号到达各阵元的时延，也可进行拖曳线列阵的阵形估计(一种利用合作声源信息的阵形估计方法，CN2016910879410.7)，但是该方法需要增加GPS接受设备等外部设备辅助确定首阵元位置，并且仅适用于阵形为凸函数的情况。
发明内容
针对双声源交点定位方法受时延测量误差影响较大，以及单声源阵形估计方法需要GPS等外部信息输入且畸变阵形受限的不足，本发明提供了一种基于最优化模型的拖曳线列阵阵形估计方法。该方法无需GPS等外部信息输入，并且通过选择适当的最优化模型的目标函数，可有效降低时延测量误差对阵形估计结果的影响，同时该方法适用于任何畸变阵形的测量。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种基于最优化模型的拖曳线列阵阵形估计方法，利用阵元和双声源之间的多种位置关系构造最优化模型，通过时延信息确定的阵元坐标测量值；将两声源坐标、和阵元坐标测量值作为已知量，以各阵元坐标估计值作为变量，构建最优化问题的目标函数；通过求解最优化问题，得到各阵元坐标估计值，完成拖曳线列阵的阵形估计。
更进一步的，具体包括如下步骤：
步骤一、采用主要由声源1和声源2、拖曳线列阵和上位机组成的阵形估计系统，声源1和2发出声脉冲信号，拖曳线列阵接收声脉冲信号并送至上位机，上位机解算出声脉冲信号从声源1和声源2传播至各阵元的时延τki，其中k＝1,2为声源编号，i＝1,2,...,n为阵元编号；
步骤二、建立坐标系，并通过双声源交点定位方法，依据时延τki确定各阵元的坐标测量值
Figure BDA0003147521930000021
步骤三、以各阵元坐标估计值
Figure BDA0003147521930000022
作为变量，构造目标函数
Figure BDA0003147521930000023
步骤四、求解最优化问题
Figure BDA0003147521930000024
得到各阵元坐标估计值
Figure BDA0003147521930000025
更进一步的，步骤二所述坐标系的原点位于两声源连线中点，y轴正方向为声源2到声源1的方向，x轴正方向位于拖曳线列阵首阵元所在一侧。
更进一步的，步骤二所述双声源交点定位方法包括以下步骤：
步骤二一：以声源1所在位置Ps1(xs1,ys1)为圆心、以τ1ic为半径作圆C1i，其中c为声速；
步骤二二：以声源2所在位置Ps2(xs2,ys2)为圆心、以τ2ic为半径作圆C2i；
步骤二三：计算圆C1i和圆C2i在x轴正半平面内的交点，作为第i个阵元的坐标测量值，记为
Figure BDA0003147521930000026
更进一步的，步骤三所述目标函数为：
Figure BDA0003147521930000027
式中d0为拖曳线列阵布阵间距，权重系数ω1,ω2,ω3,ω4≥0。
本发明的有益效果为：
本方法可有效估计拖曳线列阵阵形，无需GPS等外部信息输入，有效降低时延测量误差对阵形估计结果的影响，同时该方法适用于任何畸变阵形的阵形估计。
附图说明
图1是阵形估计系统示意图；
图2是阵元坐标测量值示意图；
图3是阵形估计效果。
具体实施方式
为了令本发明的目的、特征、优点更加明显易懂，下面结合附图中涉及的具体实施方式对本发明的实施例进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在未进行创造性劳动前提下获得的所有其它实施例，如只改变用途而不改变权利要求涉及基本原理的实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的原理过程如下：
图1所示测量系统中，声源1和2不失一般性的分别布置在母船左右舷两侧的Ps1和Ps2。以两声源连线中点O作为坐标原点，以Ps2Ps1方向为y轴正方向建立坐标系。拖曳线列阵实际阵形如图1中实线所示，阵元实际位置坐标Pi(xi,yi)用位于实线上的十字标识。如图2所示，通过时延信息确定的阵元坐标测量值
Figure BDA0003147521930000031
将两声源坐标Ps1(xs1,ys1)、Ps2(xs2,ys2)和阵元坐标测量值
Figure BDA0003147521930000032
作为已知量，以各阵元坐标估计值
Figure BDA0003147521930000033
作为变量，构造目标函数
Figure BDA0003147521930000034
通过求解最优化问题
Figure BDA0003147521930000035
得到各阵元坐标估计值，完成对拖曳线列阵阵形的阵形估计。
实施例：
如图3所示，拖曳线列阵共包含20个阵元，阵元布阵间距d0为2m，实际阵形如图中实线所示，阵元位置用十字标识，首阵元距离声源约100m，其坐标为P1(100,0)。声源1布置于Ps1(0,10)，声源2布置于Ps2(0,-10)。时间延时τki的测量误差在0至1ms内均匀分布。通过双声源交点定位方法得到的阵形估计结果如图3中三角号标识所示，可以看出该方法估计结果与实际阵形的偏差较大。
本方法所构造目标函数如下：
Figure BDA0003147521930000036
等式右边第一项为任意两个阵元与声源距离差引入的代价函数，第二项为相邻两个阵元距离引入的代价函数，第三项为阵元坐标测量值和估计值引入的代价函数，第四项保证阵形估计结果平滑。
取ω1(k,i,j)＝1，ω2(i)＝1，ω3(i)＝1，ω4(i)＝1。通过求解
Figure BDA0003147521930000037
得到阵元坐标估计值，获得阵型估计结果如图3中圆圈标识所示。可以看出本方法所提出的基于最优化模型的拖曳线列阵阵型估计方法在不增加外部设备的条件下，显著提升了阵形估计的准确性，并且可以用于阵形非凸的情况。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于最优化模型的拖曳线列阵阵形估计方法，其特征在于：利用阵元和双声源之间的多种位置关系构造最优化模型，通过时延信息确定的阵元坐标测量值；将两声源坐标、和阵元坐标测量值作为已知量，以各阵元坐标估计值作为变量，构建最优化问题的目标函数；通过求解最优化问题，得到各阵元坐标估计值，完成拖曳线列阵的阵形估计。
2.根据权利要求1所述的基于最优化模型的拖曳线列阵阵形估计方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤一、采用主要由声源1和声源2、拖曳线列阵和上位机组成的阵形估计系统，声源1和2发出声脉冲信号，拖曳线列阵接收声脉冲信号并送至上位机，上位机解算出声脉冲信号从声源1和声源2传播至各阵元的时延τki，其中k＝1,2为声源编号，i＝1,2,...,n为阵元编号；
步骤二、建立坐标系，并通过双声源交点定位方法，依据时延τki确定各阵元的坐标测量值
Figure FDA0003147521920000011
步骤三、以各阵元坐标估计值
Figure FDA0003147521920000012
作为变量，构造目标函数
Figure FDA0003147521920000013
步骤四、求解最优化问题
Figure FDA0003147521920000014
得到各阵元坐标估计值
Figure FDA0003147521920000015
3.根据权利要求2所述的基于最优化模型的拖曳线列阵阵形估计方法，其特征在于：步骤二所述坐标系的原点位于两声源连线中点，y轴正方向为声源2到声源1的方向，x轴正方向位于拖曳线列阵首阵元所在一侧。
4.根据权利要求2所述的基于最优化模型的拖曳线列阵阵形估计方法，其特征在于：步骤二所述双声源交点定位方法包括以下步骤：
步骤二一：以声源1所在位置Ps1(xs1,ys1)为圆心、以τ1ic为半径作圆C1i，其中c为声速；
步骤二二：以声源2所在位置Ps2(xs2,ys2)为圆心、以τ2ic为半径作圆C2i；
步骤二三：计算圆C1i和圆C2i在x轴正半平面内的交点，作为第i个阵元的坐标测量值，记为
Figure FDA0003147521920000016
5.根据权利要求2所述的基于最优化模型的拖曳线列阵阵形估计方法，其特征在于：步骤三所述目标函数为：
Figure FDA0003147521920000021
式中d0为拖曳线列阵布阵间距，权重系数ω1,ω2,ω3,ω4≥0。
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