CN115130362B - 一种基于信道匹配的阵列阵元位置校准方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于信道匹配的阵列阵元位置校准方法及系统，所述方法包括：布设呈一定张角且分时工作的校准声源S 1与S 2，根据浅海信道环境计算可得第一阶、第二阶模态的截至频率，选择信号的频带范围介于第一阶模态与第二阶模态的截至频率间，即低频取值需要大于第一阶模态的截止频率，高频取值需要小于第二阶模态的截止频率，此时信号仅含有第一阶模态的信息，带通滤波后将各阵元接收时域信号进行傅里叶变换后转为频域，再根据信道环境计算得到该波导条件下模态对应的相速度，然后基于随频率变化的相速度开展待校准阵元与参考阵元间的距离差搜索，再结合辅助声源、参考阵元位置建立代价函数，最后通过优化算法得到各个阵元相对参考阵元的位置信息。
Description
技术领域
本发明属于水声信号处理领域，具体涉及一种基于信道匹配的阵列阵元位置校准方法及系统。
背景技术
海底柔性水平阵列在布放过程中，受海浪海流、布放船机动等因素影响，各阵元位置较预设位置往往存在偏差。阵元位置坐标的准确与否对目标探测与定位性能有着显著影响，相关研究表明，如果想控制阵形参数误差带来的阵增益损失在一分贝以内，则需要阵元位置偏差不大于所处理信号波长的十分之一。为提高后续阵列信号处理算法的探测性能，有必要进行阵形校准工作。
阵形校准方法大致可以分为两类：一类为无源校准，此类方法通过噪声源进行估计校准，利用海洋环境噪声或者过往船只噪声即可，但是只能反演出阵列的形状，即两两阵元间的距离信息，还需要其他信息辅助对初步结果进行平移、旋转、翻转等操作才能获取准确位置。另一类为有源校准，例如基于时延估计的阵形校准方法，通过配置校准声源，分析各阵元间信号的时延关系，并结合声源与参考阵元的位置信息，估计所有阵元相对参考阵元的位置，但局部最优解会受信道起伏影响，导致测量结果存在误差、并且有误差累积效应，阵形估计结果的准确性和稳定性不高；全局最优解则要求初始位置在真实值附近，否则校准结果也容易陷入局部最优值、导致较大误差；子空间分解的拟合算法对声源的信噪比与快拍数有一定要求，否则会引起阵列协方差矩阵估计值的误差，从而影响校准精度。
上述无论无源校准还是有源校准方法，都涉及到参考声速C0的选取问题，通常假设C0为频率不变的常数，并选择为接收阵深度处的介质声速。然而根据简正波理论可知，浅海波导环境属于频散介质，阵列接收到的声信号是不同阶模态的叠加，各阶模态的相速度、群速度不同，且会随频率变化，因此准确的声速参考值往往难以选择。因此在浅海水声信道下，会由于参考声速与实际声传播速度的偏差，给阵元位置校准结果带来系统误差，且阵列孔径越大影响越显著。
发明内容
本发明的目的在于克服传统阵形校准方法由于参考声速与实际声传播速度的偏差，给阵元位置校准结果带来系统误差的缺陷。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于信道匹配的阵列阵元位置校准方法，所述方法包括：布设呈一定张角且分时工作的校准声源S1与S2，根据浅海信道环境计算可得第一阶、第二阶模态的截至频率，选择信号的频带范围介于第一阶模态与第二阶模态的截至频率间，即低频取值需要大于第一阶模态的截止频率，高频取值需要小于第二阶模态的截止频率，此时信号仅含有第一阶模态的信息，此步骤有效消除了浅海信道的模间频散的不利影响。带通滤波后将各阵元接收时域信号进行傅里叶变换后转为频域，再根据信道环境计算得到该波导条件下模态对应的相速度，然后基于随频率变化的相速度开展待校准阵元与参考阵元间的距离差搜索，此步骤有效消除了浅海信道的模内频散造成的不利影响。再结合辅助声源、参考阵元位置建立代价函数，最后通过优化算法得到各个阵元相对参考阵元的位置信息。
作为上述方法的一种改进，所述方法具体包括：
步骤1：根据波导环境计算第一阶模态的截止频率f1与第二阶模态的截止频率f2，选择频带范围介于第一阶模态与第二阶模态的截至频率间，即低频取值需要大于第一阶模态的截止频率，高频取值需要小于第二阶模态的截止频率，此时信号仅含有第一阶模态的信息，此步骤有效消除了浅海信道的模间频散的不利影响。对参考阵元A1与待校准阵元Ai接收到的时域信号进行带通滤波后得到si k(t),k＝1,2，通过傅里叶变换转换得到频域信号
其中，k取值1或2代表声源S1、S2，f为频率，t为时间；
步骤2：计算p1(f)、pi(f)最大相关系数对应的
即为Ai较A1与声源Sk的距离差估计值：
其中，Δr为距离值，cp(f)为根据信道环境计算得到的该波导条件下第一阶模态对应的相速度，fL表示选取频段的最低频率，fH表示选取频段的最高频率，i表示阵元序号，I表示待校准阵元个数，上标*表示取共轭；
步骤3：建立坐标(xi,yi)搜索代价函数如下：
其中，(X1,Y1)为校准声源S1坐标位置，(X2,Y2)为校准声源S2坐标位置；
步骤4：通过优化搜索得到Ai点坐标估计值：
作为上述方法的一种改进，所述优化搜索为模拟退火法。
本发明还提供一种基于信道匹配的阵列阵元位置校准系统，所述系统包括：
第一计算模块，用于根据波导环境计算第一阶模态的截止频率f1与第二阶模态的截止频率f2，选择频带范围介于第一阶模态与第二阶模态的截至频率间，即低频取值需要大于第一阶模态的截止频率，高频取值需要小于第二阶模态的截止频率，此时信号仅含有第一阶模态的信息，对参考阵元A1与待校准阵元Ai接收到的时域信号进行带通滤波后得到时域信号
通过傅里叶变换转换得到频域信号
第二计算模块，用于计算Ai较A1与声源Sk的距离差估计值：
第三计算模块，用于建立坐标(xi,yi)搜索代价函数；
第四计算模块，用于通过优化搜索得到Ai点坐标估计值。
作为上述系统的一种改进，所述优化搜索为模拟退火法。
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任一项所述的方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行如上述任一项所述的方法。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、克服了传统阵形校准方法参考声速与实际声传播速度的偏差，给阵元位置校准结果带来系统误差的问题，校准所得阵元位置结果更加准确；
2、当阵元间距很大时，本方法依然能够准确计算阵元位置。
附图说明
图1所示为基于信道匹配的阵列阵元位置校准方法流程图；
图2所示为阵形校准方法配置图；
图3所示为校准声源布放位置示意图；
图4所示为仿真波导环境示意图；
图5所示为仿真信道下的第一阶模态相速度随频率的变化图；
图6所示为接收信号波形图；(a)：S1声源，(b)：S2声源；
图7所示为阵元位置校准结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
现有的阵元位置校准方法，由于参考声速C0的选取往往与实际声传播速度存在偏差，导致阵元位置校准结果存在系统误差，对于大孔径阵列这种误差会更加显著。本发明通过充分利用浅海信道特征以克服上述技术缺陷，提出了一种基于信道匹配的阵列阵元位置校准方法。
阵形校准方法配置如图2所示，S1、S2分别为校准声源的位置，A1为布设于海底的绝对同步水听器阵列参考阵元的位置，不失一般性，设定A1位置为直角坐标系原点，Ai为第i个待校准阵元的位置。
已知校准声源S1(X1,Y1)、校准声源S2(X2,Y2)与参考阵元A1的位置信息，声源S1、声源S2分时工作，参考阵元A1接收到信号
待校准阵元Ai接收到信号
k取值1或2代表不同声源，阵元Ai与阵元A1的水听器记录系统时钟绝对同步，求解Ai点坐标(xi,yi)以实现阵元位置校准。
如图1所示，具体方法如下：
1、浅海波导环境具有复杂的频散效应，对于波导内的声传播，有模内频散与模间频散现象，这些都会导致信号波形的失真，再进行信号处理时需要结合信道特征予以补偿。首先，为了消除模间频散的影响，需要选取低频段仅激发一阶模态的信号，即根据波导环境计算第一阶模态的截止频率f1与第二阶模态的截止频率f2，选择频带范围介于第一阶模态与第二阶模态的截至频率间，即低频取值需要大于第一阶模态的截止频率，高频取值需要小于第二阶模态的截止频率，此时信号仅含有第一阶模态的信息，有效地消除了模间频散的不利因素。对参考阵元A1与待校准阵元Ai接收到的时域信号进行带通滤波后得到
通过傅里叶变换转换得到频域信号
其中，k取值1或2代表声源S1、S2，
为第i号水听器与声源k的水平距离，f为频率，t为时间。
2、为了消除模内频散的影响，需要选取与信道特征相匹配的相速度作为参考声速，按照如下公式计算p1(f)、pi(f)最大相关系数对应的
即为Ai较A1与声源Sk的距离差估计值：
其中，Δr为距离值，cp(f)为根据信道环境计算得到的该波导条件下第一阶模态对应的相速度，此参考声速的选取是与信道特征相匹配的，可以有效克服信道的频散特征，fL表示选取频段的最低频率，fH表示选取频段的最高频率，i表示阵元序号，I表示待校准阵元个数，上标*表示取共轭。
3、进一步建立坐标(xi,yi)搜索代价函数如下：
其中，(X1,Y1)为校准声源S1坐标位置，(X2,Y2)为校准声源S2坐标位置。
4、通过模拟退火等优化搜索可得Ai点坐标估计值：
下面结合附图对校准方法的理论进行详细说明。
1、校准声源布设图
阵形校准方法配置如图2所示，S1、S2分别为校准声源的位置，A1为布设于海底的绝对同步水听器阵列参考阵元的位置，不失一般性，设定A1位置为直角坐标系原点，Ai为某待校准阵元的位置，阵形校准问题描述如下：
已知校准声源S1(X1,Y1)、校准声源S2(X2,Y2)与参考阵元A1的位置信息，声源S1、声源S2分时工作，参考阵元A1接收到信号
待校准阵元Ai接收到信号
k取值1或2代表不同声源，阵元Ai与阵元A1的水听器记录系统时钟绝对同步，求解Ai点坐标(xi,yi)以实现阵元位置校准。
2、信号模型
根据简正波理论，水平不变的分层海洋波导环境中，深度为zs的点声源激发的远场声场可近似表示为M阶模态的线性叠加：
其中,S(f)为声源频谱，km(f)与βm(f)分别为第m阶模态的水平波数与指数衰减因子，Ψm为第m阶模态的深度函数，ρ(zs)为声源处水介质密度，z为水听器深度，r为水听器与声源的水平距离，M为波导中传播的模态个数。
模态个数M受波导环境与声源频率制约，以液态海底均匀浅海波导为例，当声源频率f＞fm时，第m阶及其以下各阶次的模态才会被激发：
其中，c2为海底声速，c1为海水声速，H为水深。
根据信道环境，通过公式(2)可以计算得到f1，f2。选择频带范围[fL,fH]，满足f1＜fL＜fH＜f2时，公式(1)可简化为：
其中,k(f)与β(f)分别为第一阶模态的水平波数与指数衰减因子，Ψ为第一阶模态的深度函数。
表征等相位面传播速度的相速度cpm(f)与模态的阶次和频率有关，第一阶模态的相速度cp(f)为：
设定ΔTi为第i号阵元相对参考阵元的时钟偏移，则第i号水听器接收到的频域信号可以表示为：
其中，I为阵元个数，ri为第i号水听器与声源的水平距离。
由于阵元Ai与阵元A1的水听器记录系统时钟绝对同步，时域信号可以表示为：
结合公式(3)与公式(5)，阵元Ai接收到k声源信号的频域形式可以表示为：
其中，
为阵元Ai较参考阵元A1距第k声源的水平距离差。
Ai较A1与声源Sk的水平距离差估计值
可使用相速度开展频域补偿估计得到：
其中，上标*表示取共轭。
令Δri k为第i个阵元较参考阵元与第k声源的水平声程差，有如下关系：
参考阵元A1与待校准阵元Ai接收到的时域信号
通过傅里叶变换转换到频域得到
按照如下公式计算p1(f)、pi(f)最大相关系数对应的
即为Ai较A1与声源Sk的水平距离差估计值：
进一步建立坐标(xi,yi)搜索代价函数如下：
通过模拟退火等优化搜索可得Ai点坐标估计值：
下面通过实例验证基于信道匹配的阵列阵元位置校准方法与传统阵元位置校准方法的结果差异。
为了量化所提方法与传统基于时延估计的阵形校准方法的优劣，定义阵元位置校准结果的均方根误差为：
其中，
为校准估计得到的各阵元位置坐标，(x0i,y0i)为各阵元位置坐标的真实值。
如图3所示，设定水平阵参考阵元(首阵元)为坐标系原点，自首阵元至末阵元方向为x轴正方向，逆时针旋转90度为y轴正方向。校准声源布放位置分别在S1[0°，30km]、S2[90°，20km]。
如图4所示为仿真波导环境，参数设置具体如下：水层介质密度为1g/cm3,海深为96m，海水的声吸收衰减系数设为0dB/λ；海底假设为平坦半无限液态基底,声速为1630m/s，密度为1.70g/cm3，衰减系数为0.1dB/λ。声源深度为50m，接收阵为布放于海底的等间距60m的16元水平阵。分析信号的频带范围为15-30Hz，频率分辨率为0.2Hz，此频带在上述参数的仿真信道下远距离传播后仅存在一阶模态，使用Kraken程序计算声场，得到该波导条件下模态对应的相速度如图5所示。
校准声源分时工作后，各阵元接收信号的时域波形如图6所示。
阵形坐标校准结果与真实位置坐标分别如图7所示。其中，信道匹配阵形校准方法选择参考声速为图5所示的随频率变化的相速度，而时延估计阵形校准方法选择参考声速为接收阵列处声速1526m/s。
统计上述两种方法的阵形校准误差，如表1所示，表格第二行所示为全部阵元的校准误差
表1 阵元位置校准误差
结合图7和表1可知，基于时延估计的阵形校准方法会参考声速失配产生误差，阵元间距越大，该误差的绝对值也越大，同时这种误差还存在不断累积的现象。在阵元间距过大的情况下甚至会因为信号相关下降而失效，而本发明能处理的阵元间距范围更大。
本发明还可提供的一种计算机设备，包括：至少一个处理器、存储器、至少一个网络接口和用户接口。该设备中的各个组件通过总线系统耦合在一起。可理解，总线系统用于实现这些组件之间的连接通信。总线系统除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。
其中，用户接口可以包括显示器、键盘或者点击设备(例如，鼠标，轨迹球(trackball)、触感板或者触摸屏等。
可以理解，本申请公开实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(Static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(SynchronousDRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(Double DataRate SDRAM，DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(Enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(Synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(Direct Rambus RAM，DRRAM)。本文描述的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
在一些实施方式中，存储器存储了如下的元素，可执行模块或者数据结构，或者他们的子集，或者他们的扩展集：操作系统和应用程序。
其中，操作系统，包含各种系统程序，例如框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序，包含各种应用程序，例如媒体播放器(Media Player)、浏览器(Browser)等，用于实现各种应用业务。实现本公开实施例方法的程序可以包含在应用程序中。
在本上述的实施例中，还可通过调用存储器存储的程序或指令，具体的，可以是应用程序中存储的程序或指令，处理器用于：
执行上述方法的步骤。
上述方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行上述公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合上述公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
可以理解的是，本发明描述的这些实施例可以用硬件、软件、固件、中间件、微码或其组合来实现。对于硬件实现，处理单元可以实现在一个或多个专用集成电路(Application Specific Integrated Circuits，ASIC)、数字信号处理器(DigitalSignalProcessing，DSP)、数字信号处理设备(DSP Device，DSPD)、可编程逻辑设备(Programmable Logic Device，PLD)、现场可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)、通用处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行本申请所述功能的其它电子单元或其组合中。
对于软件实现，可通过执行本发明的功能模块(例如过程、函数等)来实现本发明技术。软件代码可存储在存储器中并通过处理器执行。存储器可以在处理器中或在处理器外部实现。
本发明还可提供一种非易失性存储介质，用于存储计算机程序。当该计算机程序被处理器执行时可以实现上述方法实施例中的各个步骤。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种基于信道匹配的阵列阵元位置校准方法，所述方法包括：布设呈一定张角且分时工作的校准声源S1与S2，根据浅海信道环境计算可得第一阶、第二阶模态的截至频率，选择信号的频带范围介于第一阶模态与第二阶模态的截至频率间，带通滤波后将对各阵元接收时域信号进行变换后转为频域，再根据信道环境计算得到该波导环境下第一阶模态对应的相速度，然后基于随频率变化的相速度开展待校准阵元与参考阵元间的距离差搜索，再结合辅助声源、参考阵元位置建立代价函数，最后通过优化算法得到各个阵元相对参考阵元的位置信息；
所述方法具体包括：
步骤1：根据波导环境计算第一阶模态的截止频率f1与第二阶模态的截止频率f2，选择频带范围介于第一阶模态与第二阶模态的截至频率间，对参考阵元A1与待校准阵元Ai接收到的时域信号进行带通滤波后得到时域信号
通过傅里叶变换转换得到频域信号
其中，k取值1或2代表声源S1、S2，f为频率，t为时间；
步骤2：计算p1(f)、pi(f)最大相关系数对应的
即为Ai较A1与声源Sk的距离差估计值：
其中，Δr为距离值，cp(f)为根据信道环境计算得到的该波导环境下第一阶模态对应的相速度，fL表示选取频段的最低频率，fH表示选取频段的最高频率，i表示阵元序号，I表示待校准阵元个数，上标*表示取共轭；
步骤3：建立坐标(xi,yi)搜索代价函数如下：
其中，(X1,Y1)为校准声源S1坐标位置，(X2,Y2)为校准声源S2坐标位置；
步骤4：通过优化搜索得到Ai点坐标估计值：
2.根据权利要求1所述的基于信道匹配的阵列阵元位置校准方法，其特征在于，所述优化搜索为模拟退火法。
3.一种基于信道匹配的阵列阵元位置校准系统，所述系统包括：
第一计算模块，用于根据波导环境计算第一阶模态的截止频率f1与第二阶模态的截止频率f2，选择频带范围介于第一阶模态与第二阶模态的截至频率间，即低频取值需要大于第一阶模态的截止频率，高频取值需要小于第二阶模态的截止频率，此时信号仅含有第一阶模态的信息，对参考阵元A1与待校准阵元Ai接收到的时域信号进行带通滤波后得到时域信号
通过傅里叶变换转换得到频域信号
第二计算模块，用于计算Ai较A1与声源Sk的距离差估计值：
计算p1(f)、pi(f)最大相关系数对应的
即为Ai较A1与声源Sk的距离差估计值：
其中，Δr为距离值，cp(f)为根据信道环境计算得到的该波导环境下第一阶模态对应的相速度，fL表示选取频段的最低频率，fH表示选取频段的最高频率，i表示阵元序号，I表示待校准阵元个数，上标*表示取共轭；
第三计算模块，用于建立坐标(xi,yi)搜索代价函数；
建立坐标(xi,yi)搜索代价函数如下：
其中，(X1,Y1)为校准声源S1坐标位置，(X2,Y2)为校准声源S2坐标位置；
第四计算模块，用于通过优化搜索得到Ai点坐标估计值：
4.根据权利要求3所述的基于信道匹配的阵列阵元位置校准系统，其特征在于，所述优化搜索为模拟退火法。
5.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至2中任一项所述的方法。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行如权利要求1至2任一项所述的方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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