CN116593965A - 一种基于远场机会声源的水平阵阵型估计方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于水声信号处理技术领域，提供一种基于远场机会声源的水平阵阵型估计方法，所述水平阵包括水平布设的多个水听器阵元，且各个阵元的间距不变，本方法包括以下步骤：建立关于水平阵的阵型及远场机会声源的方位的非线性方程组；基于水平阵接收到的水声信号获取相邻阵元相位差矢量的估计值；使用所述相邻阵元相位差矢量的估计值求解所述非线性方程组，得到水平阵阵型曲线的估计结果。本申请所提供的方法无需专门设置主动声源进行配合，且计算量小，速度快，适用于在各类复杂海况下对水平阵阵型进行实时估计校正。

Description

一种基于远场机会声源的水平阵阵型估计方法
技术领域
本申请属于水声信号处理技术领域，具体地，提供一种基于远场机会声源的水平阵阵型估计方法。
背景技术
水平阵是一种常见的多水听器阵列，由多个位于同一水平面的水听器构成，各个水听器之间通过线缆连接，可应用于目标探测、定位等水声信号处理领域，由于水平阵多为柔性阵，在布放和使用过程中，可能受到海流冲击、布放平台机动、海底地形等各类因素的影响，使得布设的水平阵阵型跟预设阵型有一定偏差，显然，上述实际阵型与预设阵型的偏差将导致水平阵对方位估计的准确性显著降低，同时也将使阵列对高频信号进行处理的空间增益降低，因此，有必要通过对水平阵的实际阵型进行估计，以获取对阵列信号进行校准的必要信息。
受布设环境所限，目前水平阵阵型估计、校准方法大都是通过对主动声纳发射的水声信号进行处理的手段来实现，例如，通过布设位置已知的主动声源发射宽带脉冲声信号，各阵元利用接收信号估计相对到达时间，结合方位和阵列布放深度的声速信息，估算阵元位置，这种方法原理简单，计算量小，然而需要由主动声纳提供定位信号，特别是对于长时间运行的水平阵，需要为其专门设置配套运行的主动声源，无疑将大大增加人力物力成本。
此外，也可以利用海洋信道的声传播特性，采用模基匹配阵型估计方法、基于声场干涉特征的阵型估计方法等进行水平阵阵型估计，其中，模基匹配方法需要主动声源配合，并且需要准确已知水平阵所在海域的海洋声学环境参数来计算拷贝场，通过匹配场、匹配模等技术实现水平阵阵元位置估计，该方法测量条件苛刻，且拷贝场计算量大，校准时间较长；基于声场干涉特征的阵型估计方法利用距离与频率域的声场信噪比较高的干涉条纹确定阵元相对位置信息，该方法实现简单，但该方法同样需要主动声源辐射宽带信号配合。
发明内容
本申请的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提供一种无需专门的主动声纳提供定位信号，能够利用海洋环境中的各种远场机会声源实时地对水平阵阵型进行估计的方法。
本申请的实施例可以通过以下技术方案实现：
一种基于远场机会声源的水平阵阵型估计方法，所述水平阵包括水平布设的多个水听器阵元，且各个阵元的间距不变，该方法包括以下步骤：
S1，建立关于水平阵的阵型及远场机会声源的方位的非线性方程组；
S2，基于水平阵接收到的水声信号获取相邻阵元相位差矢量的估计值；
S3，使用所述相邻阵元相位差矢量的估计值求解所述非线性方程组，得到水平阵阵型曲线的估计结果。
进一步地，通过以下步骤建立所述非线性方程组：
A1，将水平阵的阵型曲线表示为下式的正交基函数展开形式：
，
其中，、/>分别为水平阵阵型曲线上任意一点的X轴、Y轴坐标值，/>为/>个正交基函数，/>为正交基函数的系数；
A2，将远场机会声源在处产生的入射波/>表示为：
，
其中，、/>、/>分别为/>的入射角、幅值及波数，/>为虚数单位；
A3，遍历水平阵的第2至第个阵元，分别基于下式确定入射波/>在水平阵的两个相邻的阵元/>、/>处的相位差/>：
，
其中，为求取相位函数，/>、/>分别为阵元/>和阵元/>的X轴坐标值，为/>的共轭函数，/>为水平阵的阵元数；
A4，将步骤A3得到的个相位差展开为矩阵形式，得到如下式的非线性方程组：
，
其中，为位置矩阵，/>为入射角及系数矢量，/>为相邻阵元相位差矢量。
优选地，。
可选地，所述正交基函数由下式确定：
，
其中，为水平阵的总长度。
优选地，远场机会声源发射的水声信号中至少包含一个特征线谱信号。
进一步地，通过以下步骤确定相邻阵元相位差矢量的估计值：
B1，基于下式对各个阵元接收到的水声信号进行傅里叶变换：
，
其中，、/>分别为第/>个阵元接收到的水声信号及其频谱，/>为傅里叶变换的积分时间，/>为虚数单位，/>为频率变量；
B2，基于下式确定所述特征线谱信号的频率：
，
其中，为傅里叶变换的有效频率区间；
B3，遍历水平阵的第2至第个阵元，基于下式获取水平阵的两个相邻的阵元/>、/>处的相位差的估计值/>：
，
B4，基于下式获取所述相邻阵元相位差矢量的估计值：
。
优选地，所述有效频率区间的频率下限和频率上限/>由下式确定：
，
其中，为水中声速，/>为水平阵的阵元间距，/>为船舶螺旋桨旋转角速度的最小经验值。
优选地，所述特征线谱信号对应的波长与水平阵的阵元间距满足采样定律。
优选地，通过以下步骤求解所述非线性方程组并得到水平阵阵型曲线的估计结果：
将水平阵阵型曲线设置为；
迭代地执行步骤C1至C4，直到对水平阵阵型曲线的估计结果满足收敛性要求：
C1，根据水平阵阵型曲线及各个阵元的间距确定各个阵元的X轴坐标值的估计值；
C2，将代入位置矩阵/>，得到/>的估计值/>；
C3，基于下式计算入射角及系数矢量的估计值/>：
；
C2，基于下式计算入射角的估计值/>；
，
其中，为/>的第1个元素；
C3，基于下式计算至/>的估计值/>至/>：
；
C4，将至/>代入水平阵阵型曲线以重新估计水平阵阵型曲线。
优选地，基于多个时间段得到的水平阵阵型曲线的估计结果确定水平阵阵型曲线。
本申请的实施例提供的一种基于远场机会声源的水平阵阵型估计方法，将水平阵阵型曲线展开为正交基函数叠加形式，结合位置未知的远场机会声源入射角构造非线性方程组，利用入射信号的相位差信息，通过有限次迭代就可以同时实现对水平阵阵型及远场机会声源方位的估计，该方法不需要宽带主动声源的介入，大大降低了人力物力成本，且仅通过水平阵接收的机会声源的线谱信号就可以实现阵型估计，计算量小，复杂度低，满足实时估计校准的需要，对于受海流的冲击、地形的变化等因素导致水平阵阵型随时间变化的情况，因此需要经常对水平阵阵型进行校准的情况，可以省时省力地完成对水平阵阵型的动态估计。
附图说明
图1为水平阵的布放及使用过程中的阵型曲线的示意图；
图2为根据本申请实施例提供的基于远场机会声源的水平阵阵型估计方法的流程图；
图3为根据本申请的一个实施例的入射角为178°时的水平阵阵型估计结果；
图4为根据本申请的一个实施例的入射角为90°时的水平阵阵型估计结果；
图5为根据本申请的一个实施例的入射角为45°时的水平阵阵型估计结果。
具体实施方式
以下，基于优选的实施方式并参照附图对本申请进行进一步说明。
在本申请实施例中的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本申请实施例的产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制；此外，为了方便理解，放大或者缩小了图纸上的各种构件，但这种做法不是为了限制本申请的保护范围。
图1为水平阵在布放及使用过程中所形成的阵型曲线的示意图，图1中XOY平面为水平面，水平阵由多个水听器阵元通过线缆连接构成，因此各个阵元的间距保持不变。
上述水平阵的预设阵型为沿X轴排列的直线阵，然而在海流冲击及线缆拖曳等因素的共同作用下，各个阵元将偏离阵型，从而形成图1中的具有复杂形状的阵型曲线，该曲线的X轴、Y轴坐标值以、/>表示，各个阵元即位于该曲线上，显然，在对水平阵接收的水声信号进行处理前，应首先对水平阵的实际阵型进行估计，即获取图1所示的水平阵阵型曲线的估计结果，以作为后续信号校正的依据。
如前文所述的，目前各种水平阵阵型估计方法需要由方位已知的主动声源发射宽带脉冲声信号，然而在水平阵长期使用过程中，其阵型总是不断地发生变化，因此需要经常性地且快速地对阵型进行估计，如果专门设置主动声源进行上述阵型估计操作，无疑将大大增加设备操作的人力物力成本。
在对水平阵接收的水声信号进行处理的过程中发现，其接收信号中存在各种出现时刻及持续时间随机，频率不等的线谱信号，通过分析可知，上述线谱信号是由水平阵布设周边海域存在的大量机会声源(例如各类船舶的螺旋桨等噪声源)产生的，当上述机会声源满足远场条件时，如图1所示，其线谱信号可以近似认为是以入射角入射的平面波，利用上述大量远场机会声源所发射的水声信号，即可经常性地进行水平阵阵型估计。
为此，本申请通过实施例提供一种基于远场机会声源的水平阵阵型估计方法，图2为该方法的流程示意图，如图2所示，该方法包括以下步骤：
S1，建立关于水平阵的阵型及远场机会声源的方位的非线性方程组；
S2，基于水平阵接收到的水声信号获取相邻阵元相位差矢量的估计值；
S3，使用所述相邻阵元相位差矢量的估计值求解所述非线性方程组，得到水平阵阵型曲线的估计结果。
以下对步骤S1至S3的具体实施方式进行详细说明。
1）步骤S1的具体实施过程。
步骤S1用于建立关于水平阵阵型及远场机会声源方位的非线性方程组，在使用机会声源进行水平阵阵型估计时，由于机会声源的位置、方位均是未知的，因此，应将机会声源的方位信息与水平阵阵型曲线信息同时作为未知量进行联合求解，为此，在本申请的实施例中，首先通过步骤S1建立关于水平阵的阵型(以各个阵元位置及描述阵型曲线的正交函数系数进行表示)及远场机会声源的方位(以远场平面波的入射角表示)的非线性方程组，具体地，包括以下步骤：
步骤A1，将水平阵的阵型曲线表示为下式(1)的正交基函数展开形式：
(1)，
其中，、/>分别为水平阵阵型曲线上任意一点的X轴、Y轴坐标值，/>为/>个正交基函数，/>为各个正交基函数的系数。
步骤A2，将远场机会声源在处产生的入射波/>表示为(2)式：
(2)，
其中，其中，、/>、/>分别为/>的入射角、幅值及波数，/>为虚数单位。
对于机会声源入射的信号，在满足远场条件下，可以将其近似为以入射角入射的平面波，从而可以将位于/>处的阵元接收到的入射波/>表示为(2)式的形式。
进一步地，对于两个相邻阵元和/>，其入射波之间满足式(3)：
(3)，
其中，为/>的共轭函数，/>、/>分别为阵元/>和阵元/>的X轴坐标值，对(3)式两边进行求取相位操作，得到如(4)式所示的相邻阵元的相位差：
(4)，
上式(4)中，为求取相位函数，当相邻阵元间隔满足采样定律时，相邻阵元的相位差满足下式：
。
步骤A3，遍历水平阵的第2至第个阵元，分别基于下式(5)确定入射波/>在水平阵的两个相邻的阵元/>、/>处的相位差/>：
(5)。
步骤A4，将步骤A3得到的个相位差展开为矩阵形式，得到如下式(6)的非线性方程组：
(6)，
其中，为位置矩阵，/>为入射角及系数矢量，/>为相邻阵元相位差矢量。
需要说明的是，(6)式所示的方程组，其位置矩阵中的各项，包括各个阵元的X轴坐标值之差，以及正交基函数值之差，受各个阵元间距的约束，其实质上仍然是各正交基函数的系数,/>…/>的函数，因此，(6)式本质上是关于入射角/>以及/>,/>…/>的非线性方程。具体地，入射角及系数矢量/>共有/>项，其中，第1项/>，第2项至第/>项为：
，
由此可得：
(7)，
(8)。
对于(6)式形式的非线性方程，在已知的情况下，一般需要迭代地使用(7)式、(8)式逐步逼近地对/>以及/>,/>…/>进行估计。
为保证阵型估计的精度，在一些优选的实施例中，阵元数量，以确保方程组(6)中方程数量大于等于未知数的个数。
此外，(1)式中可以选择本领域技术人员所知晓的正交基函数构造，在本申请的一些优选的实施例中，选用正弦函数作为正交基函数，具体地，
，
其中，为水平阵的总长度。
2）步骤S2的具体实施过程。
步骤S2用于从水平阵各个阵元接收到的水声信号中估计相邻阵元相位差矢量，在本申请的优选的实施例中，远场机会声源发射的水声信号中至少包含一个特征线谱信号，各组相邻阵元的相位差可以基于上述特征线谱信号进行估计，具体地，包括以下步骤：
步骤B1，基于下式(9)对各个阵元接收到的水声信号进行傅里叶变换：
(9)，
其中，、/>分别为第/>个阵元接收到的水声信号及其频谱，/>为傅里叶变换的积分时间，/>为虚数单位，/>为频率变量，在一些优选的实施例中，傅里叶变换的积分时间/>要足够长，以保证频率分辨率及获取功率较高的特征线谱备用。
步骤B2，基于下式(10)确定特征线谱信号的频率：
(10)，
其中，为傅里叶变换的有效频率区间，通过合理地设置傅里叶变换的有效频率区间，既能够保证信号处理精度，又能够大幅度地缩小对机会声源种有价值的特征谱线的搜索区间，加快搜索速度。
在一些优选的实施例中，、/>由下式确定：
，
其中，为水中声速，/>为水平阵的阵元间距，/>为船舶螺旋桨旋转角速度的最小经验值，具体地，/>由水平阵的阵型长度，即/>，以及船舶等作为机会声源时其螺旋桨的旋转角频率/>等信息共同确定，/>可以通过对各种类型船舶的螺旋桨旋转角速度进行统计分析并取其中的下限确定，利用上述上下限设置，能够将特征谱线的搜索范围聚焦于船舶等机会声源的有效频率区间，从而有效地提升搜索速度，在确定特征谱线后，即可通过特征谱线对相邻阵元的相位差进行估计。
步骤B3，遍历水平阵的第2至第个阵元，基于下式(11)获取水平阵的两个相邻的阵元/>、/>处的相位差的估计值/>：
(11)，
步骤B4，基于下式(12)获取相邻阵元相位差矢量的估计值：
(12)。
3）步骤S3的具体实施过程。
在建立(6)式的非线性方程组，并基于远场机会声源发射的特征谱线获取相邻阵元相位差矢量的估计值后，即可通过步骤S3迭代地解算非线性方程组，从而得到水平阵阵型的估计结果。
具体地，在一些优选的实施例中，求解过程包括以下步骤：
将水平阵阵型曲线设置为(即将初始阵型设置为直线)；
迭代地执行步骤C1至C4，直到对水平阵阵型曲线的估计结果满足收敛性要求：
C1，根据水平阵阵型曲线及各个阵元的间距确定各个阵元的X轴坐标值的估计值；
C2，将代入位置矩阵/>，得到/>的估计值/>；
C3，基于下式计算入射角及系数矢量的估计值/>：
；
C2，基于下式计算入射角的估计值/>；
，
其中，为/>的第1个元素；
C3，基于下式计算至/>的估计值/>至/>：
；
C4，将至/>代入水平阵阵型曲线以重新估计水平阵阵型曲线。
一般地，可以通过对相邻两次迭代的结果进行比较，以判断是否已达到预设的收敛性要求(例如，连续两次迭代所估计的阵型相似度达到预设的阈值)，当达到收敛性要求后，即可使用至/>作为(1)式中各正交基函数的系数，从而得到估计的水平阵阵型。
上述步骤通过有限次迭代就可以同时实现对水平阵阵型及远场机会声源方位的估计，计算量小，复杂度低，能够实时获取水平阵阵型的估计结果，且无需专门设置主动声源进行配合，因此适用于在各类复杂海况下对水平阵阵型进行高频率的估计及校正。
在实际阵型估计过程中，由于船舶等机会声源实时进行运，因此不同时空船舶相对于水平阵的方位往往不同，因此，在本申请的一些优选的实施例中，可以对多个时段的水平阵阵型进行估计，基于多个时间段得到的水平阵阵型曲线的估计结果确定水平阵阵型曲线，例如，可以通过对多个阵型曲线估计计算平均值来提高阵型估计的准确度。
以下对本申请的一个具体实施例进行说明，该实施例为仿真算例，仿真参数具体设置为：水平阵由19阵元等间距组成，即N=19，阵元间距为1m，即L=18m；机会声源SNR=10dB，特征线谱中心频率f=1000Hz，海水声速c=1500m/；采用正弦函数作为正交基函数，M=5。
图3、图4和图5分别为机会声源相对于水平阵预设阵型的方位角(即入射角)为45°、90°和160°时的阵型估计结果及其与真实阵型的对比，其中，对入射角/>的估计结果分别为45.3°、90°和160.2°，由图3至图5以及对入射角/>的估计结果可以看出，通过本申请提供的方法，能够对水平阵的复杂阵型以及机会声源的方位进行精确地估计。
以上对本申请的具体实施方式作了详细介绍，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也属于本申请权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于远场机会声源的水平阵阵型估计方法，所述水平阵包括水平布设的多个水听器阵元，且各个阵元的间距不变，其特征在于，包括以下步骤：
S1，建立关于水平阵的阵型及远场机会声源的方位的非线性方程组；
S2，基于水平阵接收到的水声信号获取相邻阵元相位差矢量的估计值；
S3，使用所述相邻阵元相位差矢量的估计值求解所述非线性方程组，得到水平阵阵型曲线的估计结果。
2.根据权利要求1所述的基于远场机会声源的水平阵阵型估计方法，其特征在于，通过以下步骤建立所述非线性方程组：
A1，将水平阵的阵型曲线表示为下式的正交基函数展开形式：
，
其中，、/>分别为水平阵阵型曲线上任意一点的X轴、Y轴坐标值，/>为个正交基函数，/>为正交基函数的系数；
A2，将远场机会声源在处产生的入射波/>表示为：
，
其中，、/>、/>分别为/>的入射角、幅值及波数，/>为虚数单位；
A3，遍历水平阵的第2至第个阵元，分别基于下式确定入射波/>在水平阵的两个相邻的阵元/>、/>处的相位差/>：
，
其中，为求取相位函数，/>、/>分别为阵元/>和阵元/>的X轴坐标值，/>为/>的共轭函数，/>为水平阵的阵元数；
A4，将步骤A3得到的个相位差展开为矩阵形式，得到如下式的非线性方程组：
，
其中，为位置矩阵，/>为入射角及系数矢量，为相邻阵元相位差矢量。
3.根据权利要求2所述的基于远场机会声源的水平阵阵型估计方法，其特征在于：
。
4.根据权利要求2所述的基于远场机会声源的水平阵阵型估计方法，其特征在于，所述正交基函数由下式确定：
，
其中，为水平阵的总长度。
5.根据权利要求2所述的基于远场机会声源的水平阵阵型估计方法，其特征在于：
远场机会声源发射的水声信号中至少包含一个特征线谱信号。
6.根据权利要求5所述的基于远场机会声源的水平阵阵型估计方法，其特征在于，通过以下步骤确定相邻阵元相位差矢量的估计值：
B1，基于下式对各个阵元接收到的水声信号进行傅里叶变换：
，
其中，、/>分别为第/>个阵元接收到的水声信号及其频谱，/>为傅里叶变换的积分时间，/>为虚数单位，/>为频率变量；
B2，基于下式确定所述特征线谱信号的频率：
，
其中，为傅里叶变换的有效频率区间；
B3，遍历水平阵的第2至第个阵元，基于下式获取水平阵的两个相邻的阵元/>、/>处的相位差的估计值/>：
，
B4，基于下式获取所述相邻阵元相位差矢量的估计值：
。
7.根据权利要求6所述的基于远场机会声源的水平阵阵型估计方法，其特征在于：
所述有效频率区间的频率下限和频率上限/>由下式确定：
，
其中，为水中声速，/>为水平阵的阵元间距，/>为船舶螺旋桨旋转角速度的最小经验值。
8.根据权利要求6所述的基于远场机会声源的水平阵阵型估计方法，其特征在于：
所述特征线谱信号对应的波长与水平阵的阵元间距满足采样定律。
9.根据权利要求6所述的基于远场机会声源的水平阵阵型估计方法，其特征在于，通过以下步骤求解所述非线性方程组并得到水平阵阵型曲线的估计结果：
将水平阵阵型曲线设置为；
迭代地执行步骤C1至C4，直到对水平阵阵型曲线的估计结果满足收敛性要求：
C1，根据水平阵阵型曲线及各个阵元的间距确定各个阵元的X轴坐标值的估计值；
C2，将代入位置矩阵/>，得到/>的估计值/>；
C3，基于下式计算入射角及系数矢量的估计值/>：
；
C2，基于下式计算入射角的估计值/>；
，
其中，为/>的第1个元素；
C3，基于下式计算至/>的估计值/>至/>：
；
C4，将至/>代入水平阵阵型曲线以重新估计水平阵阵型曲线。
10.根据权利要求1所述的基于远场机会声源的水平阵阵型估计方法，其特征在于：
基于多个时间段得到的水平阵阵型曲线的估计结果确定水平阵阵型曲线。
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