专利名称：一种大孔径水声柔性阵阵形自校准装置及方法
技术领域：
本发明涉及水声信号处理技术领域中的水声被动定位方法，尤其涉及一种大孔径水声柔性阵阵形自校准装置及方法。
背景技术：
水声被动定位是水声信号处理领域的一项难题。基于TDOA的方法是最常用的水声被动定位算法之一，并广泛应用于实时水声被动定位系统中。该算法根据到达水听器阵列不同基元的信号相对时延来进行目标方位、距离和深度参数的估计。根据所使用的参数估计方法不同，基于TDOA的目标参数估计可以分为最大似然估计(MLE)和最小二乘方法(LSE)估计。最小二乘估计不需要任何先验知识，并能给出闭合形式(closed form)的解，通常用来求解超定方程组，因此在需要实时处理的被动定位系统中得到了广泛的应用。在无干扰噪声的情况下，根据r维空间中r+Ι个基元间的r个信号到达时延差就能够唯一确定目标声源的位置[1]。有噪声存在时，信号到达时延的测量会产生误差，为了弥补干扰噪声造成的影响，定位所使用的基元个数要多于r+Ι个。
基于TDOA的被动定位系统的精度高低与基阵孔径大小有着密切的关系，基阵孔径越大，定位精度越高。对于船载被动定位系统来说，充分利用船体平台所能提供的空间和尺度是扩大基阵孔径的一种有效方法。但是，如果大孔径阵各基元之间采用刚性连接方式，会给基阵的布放和回收带来很大的不便。为了解决这个问题，在船载被动定位系统中采用柔性阵作为接收基阵，其各基元均采用软连接方式(不作刚性固定)。柔性阵的基元位置是不确定的，呈随机扰动状态，要使用前述的基于最小二乘的TDOA被动定位算法，就必须对柔性阵的阵形进行校准。
对于采用球面内插法[2]和柔性阵的被动定位系统，被测目标与柔性阵中心基元的距离的估计仅与柔性阵各基元的相对位置有关，而与柔性阵基元的绝对位置无关。因此，本发明的方法仅解算柔性阵各基元的相对位置，而不测定各基元的绝对坐标。
参考文献
[I]Huang Y., Benesty J., Elko G.ff., Mersereau R.M.Real-Time PassiveSource Localization:A Practical Linear-Correction Least-Squares Approach[J].1EEE Transaction on Speech and Audio Processing, 2001, 9(8):943-955.
[2]Smith J.0., Abel J.S.The Spherical Interpolation Method of SourceLocalization[J].1EEE Journal of Oceanic Engineering, 1987, 12(1):246-252.发明内容
发明目的:针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种大孔径水声柔性阵阵形自校准装置及方法。
技术方案:一种大孔径水声柔性阵阵形自校准装置，主要包括以下部分:
(I)三只复合式收发水声换能器，其水听器部分用作水声柔性阵的三个基元，其发射换能器部分发射阵形自校准信号，对三只复合式收发水声换能器分别命名为T/% (其发射换能器部分命名为T1，水听器部分命名为R1WR2 (其发射换能器部分命名为T2，水听器部分命名为R2)和T/R5 (其发射换能器部分命名为T5，水听器部分命名为R5)；
(2)三只水听器，用作水声柔性阵的另外三个基元，与三只复合式收发水声换能器共同组成柔性阵的六个基元，对三只水听器分别命名为Rtl, R3和R4 ；
(3)—台三通道的功率放大器，用来为复合式收发水声换能器的发射换能器部分提供校准用的电信号，其三个信号输入端命名为Pinp Pin2, Pin3，三个功率输出端命名为Pout^ Pout2、Pout3,三个输出控制端命名为Oen1、Oen2、Oen3,每个输出控制端可设置为输出或禁止状态；
(4) 一套计算机处理系统，由一组三输出通道的PCI接口数字-模拟转换装置、一组九输入通道的PCI接口模拟-数字转换装置、一台计算机以及一套校准软件组成，计算机控制数字-模拟转换装置输出阵形自校准信号，并通过处理模拟-数字转换装置采集的九个通道的信号，解算水声柔性阵六个基元的坐标；三输出通道的PCI接口数字-模拟转换装置的三个输出端分别命名为E0UtpE0UtyE0Ut3 ;九输入通道的PCI接口模拟-数字转换装置的九个输入端分别命名为Rinn，n=l, 2，3...，9。
自校准装置的连接方式如下:
每个复合式收发水声换能器由固定在一起的一发射换能器和一水听器构成，发射换能器位于水听器上方10cm，且与水听器的对称轴重合，发射换能器和水听器的电缆封装于同一条多芯电缆中。
Eout1与Pin1相连接,Eout2与Pin2相连接、Eout3与Pin3相连接,Pout1与T1相连接，Pout2与T2相连接，Pout3与T5相连接。
Rin1与R0相连接`，Rin2与R1相连接，Rin3与R2相连接，Rin4与R3相连接，Rin5与R4相连接，Rin6与R5相连接，Rin7与Eout1相连接，Rin8与Eout2相连接，Rin9与Eout3相连接。
在计算机控制下，三输出通道PCI接口数字-模拟转换装置输出三组阵形自校准电信号，经过功率放大器放大后，由三只复合式收发水声换能器的发射换能器部分!\、T2和T5转换为声信号；柔性阵的六个基元&、R1^ R2> R3> R4和R5接收这三组阵形自校准信号，并转换为电信号，与三组阵形自校准电信号一并送入九输入通道PCI接口模拟-数字转换装置进行数据采集，所采集得到的九通道的信号序列送给计算机进行处理。
三输出通道PCI接口数字-模拟转换装置所输出的三组阵形自校准电信号Sp S2和S3均为2DPSK信号，信号持续时间为12.8ms，S1首先输出，35ms后输出S2，再过35ms后输出S3，且S1从Eout1输出，S2从Eout2输出，S3从Eout3输出A1J2和S3的载波频率为fc，SpS2和S3的载波相位分别被128个码元的m序列m1、m2和m3调制，每个码元的持续时间为0.1ms7Hi1^m2和m3均由7次本原多项式生成,Hi1的本原多项式为f (x) =x7+x+l,m2和m3的本原多项式为f (X) =X7+X3+X2+X+1，且IH1和m2构成优选对，m2和m3构成优选对；m序列中的数字信息“I”表示前后两个码元的初相位差为η，m序列中的数字信息“O”表示前后两个码元的初相位差为O。
大孔径水声柔性阵阵形自校准方法包括以下步骤:
(I)三只复合式收发水声换能器和三只水听器组成柔性阵，其中R0位于柔性阵中心，T/%、T/R2、R3、R4和T/R5按顺时针方向均匀布放在以Rtl为圆心、半径为R的圆周上，T/R” R。、R3共线，T/R2、R0, R4共线，且IVR1、R0, R3所在直线与T/R2、R0, R4所在直线夹角为90度，R0> IVR1、T/R2、R3> R4布放深度均为h1； T/R5布放于R0竖直下方H处，15m彡R彡30m，5m ^ H ^ IOm ；
(2)计算机控制三输出通道PCI接口数字-模拟转换装置以210ms的周期重复输出前述阵形校准信号S1、S2和S3 ；
(3)设置Oen1为输出状态，Oen2为禁止状态，Oen3为禁止状态，经过一段时间T1(2R/c ^ T1 ^ 210ms, c为水中声速)延迟后，R0> R2> R3> R4均可接收到与S1信号形式相似的信号，该信号经过模拟-数字转换装置转换后得到四组信号序列&、S21, S31, S41，设S1经过模拟-数字转换装置转换后得到的信号序列为S1。，利用互相关时延估计法，估计Sc^S2Ps31、S41 相对于 S1。的时间延迟 TQ1、τ21、τ31、τ 41 ；
(4)设置Oen1为禁止状态，Oen2为输出状态，Oen3为禁止状态,经过一段时间T2(2R/c+35ms ^ T2 ^ 210ms)延迟后，R0> R3> R4均可接收到与S2信号形式相似的信号，该信号经过模拟-数字转换装置转换后得到三组信号序列Sm、S32, S42,设S2经过模拟-数字转换装置转换后得到的信号序列为S2。，利用互相关时延估计法，估计Sc^SpS42相对于S2。的时间延迟τ。2、τ 32、τ 42，并令时间延迟τ 12= τ 21 ；
(5)设置Oen1为禁止状态，Oen2为禁止状态，Oen3为输出状态，经过一段时间T3((R2+H2) 1/2/c+70ms ^ T3 ^ 210ms)延迟后，R0> R1' R2、R3> R4的水听器均可接收到与S3信号形式相似的信号，该信号经过模拟-数字转换装置转换后得到五组信号序列S45,设S3经过模拟-数字转换装置转换后得到的信号序列为s3。，利用互相关时延估计法，估计3。5、315、525、535、545相对于53。的时间延迟 τ 05、τ 15、τ 25、τ 35、τ 45 ；
(6)将Oen1、Oen2和Oen3为均设置为输出状态，经过一段时间((R2+H2)1/2/c+70ms彡T4彡210ms)延迟后，则VmR4均可接收到三个阵形自校准信号，设Ri接收到的对应于S1的信号经过模拟-数字转换装置转换后的信号序列为S’ n，i=0, 2，3，4，其与Slc的互相关函数序列为Ril ；Rj接收到的对应于S2的信号经过模拟-数字转换装置转换后的信号序列为S’ i2，j=0，3，4，其与S2。的互相关函数序列为R-Rk接收到的对应于&的信号经过模拟-数字转换装置转换后的信号序列为S’ k5，k=0, 1，2，3，4，其与S3。的互相关函数序列为Rk5 ；
利用互相关时延 估计法，在初始值τ η前后1.5ms范围内搜索序列Ril的最大值及对应的时间延迟τ ’ η,在初始值τ J2前后1.5ms范围内搜索序列Rj2的最大值及对应的时间延迟τ ’ j2，在初始值τ k5前后1.5ms范围内搜索序列Rk5的最大值及对应的时间延迟T k5 ；
(7)设水中声速为C，根据步骤(6)得到的时间延迟τ ’ η，τ ’ j2和τ ’ k5，计算出12 组基元之间的间距 dn=c τ ’ n, dJ2=c τ ’ J2, dk5=c τ ’ k5 ;
(8)利用dn、dJ2、dk5解算R。、T/V T/R2、R3、R4和T/R5的坐标，完成柔性阵阵形校准:设 R0> IVR1、T/R2、R3> R4 和 T/R5 的坐标为 p0(x0, y0, z。)、P1 (x1； y” Z1)、p2 (x2, y2, z2)、P3 (X3，y3) z3)、P4 (X4，Yi, z4)、p5 (X5，yz5)，1 Po 为坐标系的原点 ο，即 x0-y0-z0-O，p0、P1、p2 二点构成xoy平面，P0和P1的连线构成X轴，且P1位于X轴的负半轴，过P。且垂直于PqP1连线的直线构成y轴，过Pci且垂直于Xoy平面的直线构成z轴，X轴、y轴和z轴构成右手坐标系，Pi (xi, Yi, Z1)、p2 (x2, j2, z2)、p3 (x3, y3, z3)、p5(x5, y5, z5)可用以下(1)式 (5)式计算:
权利要求
1.一种大孔径水声柔性阵阵形自校准装置，其特征在于包括: 三只复合式收发水声换能器，其水听器部分用作水声柔性阵的三个基元，其发射换能器部分发射阵形自校准信号，对三只复合式收发水声换能器分别命名为: IyR1:其发射换能器部分命名为T1，水听器部分命名为札、 T/R2:其发射换能器部分命名为T2，水听器部分命名为R2、 T/R5:其发射换能器部分命名为T5，水听器部分命名为R5 ； 三只水听器，用作水声柔性阵的另外三个基元，与三只复合式收发水声换能器共同组成柔性阵的六个基元，对三只水听器分别命名为Rtl, R3和R4 ； 一台三通道的功率放大器，用来为复合式收发水声换能器的发射换能器部分提供校准用的电信号，其三个信号输入端命名为Pinp Pin2, Pin3，三个功率输出端命名为Pout1'Pout2^Pout3,三个输出控制端命名为OenpOen2Wen3,每个输出控制端可设置为输出或禁止状态； 一套计算机处理系统，由一组三输出通道的PCI接口数字-模拟转换装置、一组九输入通道的PCI接口模拟-数字转换装置、一台计算机以及一套校准软件组成，计算机控制数字-模拟转换装置输出阵形自校准信号，并通过处理模拟-数字转换装置采集的九个通道的信号，解算水声柔性阵六个基元的坐标；三输出通道的PCI接口数字-模拟转换装置的三个输出端分别命名为E0UtpE0UtyE0Ut3 ;九输入通道的PCI接口模拟-数字转换装置的九个输入端分别命名为Rinn，n=l, 2，3...，9。
2.如权利要求1所述的大孔径水声柔性阵阵形自校准装置，其特征在于:所述复合式收发水声换能器由固定在一起的一发射换能器和一水听器构成，发射换能器位于水听器上方IOcm,且对称轴重合,两者的电缆封装于同一条多芯电缆中。
3.如权利要求1所述的大孔径水声柔性阵阵形自校准装置，其特征在于:所述E0ut1与Pin1相连接，Eout2与Pin2相连接、Eout3与Pin3相连接，Pout1与T1相连接，Pout2与T2相连接，Pout3与T5相连接。
4.如权利要求1所述的大孔径水声柔性阵阵形自校准装置，其特征在于:所述Rin1与R0相连接，Rin2与R1相连接，Rin3与R2相连接，Rin4与R3相连接，Rin5与R4相连接，Rin6与R5相连接，Rin7与Eout1相连接，Rin8与Eout2相连接，Rin9与Eout3相连接。
5.如权利要求1-4任意一项所述的大孔径水声柔性阵阵形自校准装置，其特征在于:在计算机控制下，三输 出通道PCI接口数字-模拟转换装置输出三组阵形自校准电信号，经过功率放大器放大后，由三只复合式收发水声换能器的发射换能器部分T1、T2和T5转换为声信号；柔性阵的六个基元IV Rp R2、R3、R4和R5接收这三组阵形自校准信号，并转换为电信号，与三组阵形自校准电信号一并送入九输入通道PCI接口模拟-数字转换装置进行数据采集，所采集得到的九通道的信号序列送给计算机进行处理。
6.如权利要求5所述的大孔径水声柔性阵阵形自校准装置，其特征在于:三输出通道PCI接口数字-模拟转换装置所输出的三组阵形自校准电信号S1、S2和S3均为2DPSK信号，信号持续时间为12.8ms, S1首先输出，35ms后输出S2，再过35ms后输出S3，且S1WEout1输出，S2从Eout2输出，S3从Eout3输出J1、S2和S3的载波频率为f。，S1' S2和S3的载波相位分别被128个码元的m序列Iiipm2和m3调制,每个码元的持续时间为0.1msjHi1^m2和Hl3均由7次本原多项式生成，Hl1的本原多项式为f (x)=x7+x+l，m2和m3的本原多项式为f (X) =x7+x3+x2+x+l ,且IIi1和m2构成优选对,m2和m3构成优选对；m序列中的数字信息“ I ”表示前后两个码元的初相位差为π，m序列中的数字信息“O”表示前后两个码元的初相位差为O。
7.一种用于权利要求6的大孔径水声柔性阵阵形自校准方法，其特征在于包括以下步骤: (1)三只复合式收发水声换能器和三只水听器组成柔性阵，其中Rtl位于柔性阵中心，T/RpiynR4和T/R5按顺时针方向均匀布放在以Rtl为圆心、半径为R的圆周上，IVHR3共线，T/R2、Rc1、R4共线，且IVR1、Rtl、R3所在直线与T/R2、Rc1、R4所在直线夹角为90度，Rc1、IVR1、T/R2、R3、R4布放深度均为LIVR5布放于Rtl竖直下方H处，15m彡R彡30m, 5m ^ H ^ IOm ； (2)计算机控制三输出通道PCI接口数字-模拟转换装置以210ms的周期重复输出所述阵形校准信号SpS2和S3; (3)设置Oen1为输出状态，Oen2为禁止状态，Oen3为禁止状态，经过一段时间T1延迟后，其中，2R/c ^ T1 ^ 210ms, c为水中声速，R。、R2、R3、R4均可接收到与S1信号形式相似的信号，该信号经过模拟-数字转换装置转换后得到四组信号序列&、S21, S31, S41，设S1经过模拟-数字转换装置转换后得到的信号序列为S1。，利用互相关时延估计法，估计S21,s31、S41 相对于 S1。的时间延迟 TQ1、τ21、τ31、τ 41 ； (4)设置Oen1为禁止状态，Oen2为输出状态，Oen3为禁止状态,经过一段时间T2延迟后，其中，2R/c+35ms ^ T2 ^ 210ms，&、&、&均可接收到与S2信号形式相似的信号，该信号经过模拟-数字转换装置转换后得到三组信号序列Sm、S32, S42,设S2经过模拟-数字转换装置转换后得到的信号序列为S2。，利用互相关时延估计法，估计Sc^SpS42相对于S2。的时间延迟τ。2、τ 32、τ 42，并令时间延迟τ 12= τ 21 ； (5)设置Oen1为禁止状态, Oen2为禁止状态,Oen3为输出状态,经过一段时间T3延迟后，其中，(R2+H2) 1/2/c+70ms ^ T3 ^ 210ms, R0, R1, R2, R3> R4的水听器均可接收到与S3信号形式相似的信号，该信号经过模拟-数字转换装置转换后得到五组信号序列Sc^SyS2PSpS45,设S3经过模拟-数字转换装置转换后得到的信号序列为S3。，利用互相关时延估计法，估计S(I5、S15> S25 > S35、S45 相对于 S3。的时间延迟 τ 05' τ 15、τ 25、τ 35、Τ 45 ; (6)将OenpOen2和Oen3为均设置为输出状态，经过一段时间T4延迟后，(R2+H2)1/2/c+70ms彡T4彡210ms,则&、R1, R2, R3> R4均可接收到三个阵形自校准信号，设Ri接收到的对应于信号经过模拟-数字转换装置转换后的信号序列为S’ n，i=0，2，3，4，其与Slc的互相关函数序列为Ril ；Rj接收到的对应于S2的信号经过模拟-数字转换装置转换后的信号序列为S’ i2，j=0，3，4，其与S2。的互相关函数序列为Rp ;Rk接收到的对应于S3的信号经过模拟-数字转换装置转换后的信号序列为S’ k5，k=0, I, 2，3，4，其与S3。的互相关函数序列为Rk5 ; 利用互相关时延估计法，在初始值τ η前后1.5ms范围内搜索序列Ril的最大值及对应的时间延迟τ ’ η，在初始值τ J2前后1.5ms范围内搜索序列Rp的最大值及对应的时间延迟τ ’ j2,在初始值τ k5前后1.5ms范围内搜索序列Rk5的最大值及对应的时间延迟τ ’ k5 ; (7)设水中声速为c，根据步骤(6)得到的时间延迟τ’η，1’」2和T’k5，计算出12组基元之间的间距 dn=c τ ’ n, dJ2=c τ ’ J2, dk5=c τ ’ k5 ; (8)利用dn、dj2、dk5解算IVT/V T/R2、R3、R4和T/R5的坐标，完成柔性阵阵形校准，设R0、!"/R1、T/R2、R3、R4 和 T/Rg 的坐丰不为 Po (x。，y。，z。)、P1 (x” y” Z1)、p2 (X2，y2, ^2)、P3 (X3，Iζ, Z3)、P4 (x4, y4, z4)、p5(x5, y5, z5),设 p0 为坐标系的原点 o,即 X0=Yo=Z0=O P0>Pi>P2 三点构成 xoy 平面,Ptl和P1的连线构成X轴,且P1位于X轴的负半轴，过Ptl且垂直于PtlP1连线的直线构成y轴，过Pci且垂直于xoy平面的直线构成z轴,X轴、y轴和z轴构成右手坐标系,P1 (X1, Y1, Z1)、P2 (x2, j2, z2)、P3 (x3, y3, z3)、P5 (x5, y5, z5)可用以下⑴式 (5)式计算:
全文摘要
本发明公开了一种大孔径水声柔性阵阵形自校准装置及方法，在基于TDOA的柔性阵水声被动定位系统中，利用柔性阵复合式水声换能器的发射换能器部分发射阵形校准信号，柔性阵的各个水听器接收阵形校准信号，通过测量阵形校准信号到达各个水听器的时间延迟解算各个水听器的坐标，从而完成柔性阵阵形的自校准。
文档编号G01S5/18GK103163502SQ201310080458
公开日2013年6月19日 申请日期2013年3月14日 优先权日2013年3月14日
发明者安良 申请人:东南大学