本实用新型涉及水下目标定位的技术领域，特别涉及一种基于可调夹角均匀线阵的水下波达方向估计装置。
背景技术：
阵列信号处理技术在众多领域已得到广泛应用，而阵列信号处理的基本问题之一是空间信号波达方向估计(DOA估计)。DOA估计，即空间谱估计，所采用的处理方法是在噪声环境中摆放多个传感器组成阵列，以此来接收目标信号，然后对阵列的接收信号进行处理，最终估计出目标信号相对阵列的入射方向。子空间分解类算法是20世纪70年代发展起来的一种高分辨率方法，它能精确地估测出信号的参数(频率、方位等)，其性能理想、分辨能力和估测精度均比传统方法高，因此被广泛应用于DOA估计领域。子空间分解类算法的特点是通过适当的数学变换，将阵列的接收信号分解为相互正交的两个子空间，即信号子空间与噪声子空间，再利用两类子空间各自的特性来进行DOA估计。所以子空间分解类算法又可以分为信号子空间和噪声子空间两类子空间算法，前者以建立在子空间旋转不变技术的基础上的ESPRIT算法为代表，后者以多重分类算法(MUSIC算法)为代表。MUSIC属于极值搜索法，ESPRIT算法属于直接求解法，因此ESPRIT算法无需进行全空间谱峰搜索，其运算量远小于MUSIC算法。此外ESPRIT算法还具有现实可行、分辨率高的优点，所以在DOA估计中应用非常广泛。
但是，现有的利用ESPRIT算法进行波达方向估计的方法存在精度不高的问题，一方面，在用ESPRIT算法进行DOA估计过程中，需要把信号在介质中的传播速度当成一个已知参数，而在水下环境中，声速跟许多环境因素有关，是一个不断变化的参数，因此用一个固定的声速参数进行水下DOA估计会产生较大的误差。另一方面，现有的波达方向估计所用的线阵都是固定夹角的，在实际测量过程中，只能针对这一固定的夹角进行多次测量，不能有效地提高估计精度。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种基于可调夹角均匀线阵的水下波达方向估计装置，该装置可以设置多个不同的线阵夹角值进行测量，通过不同夹角的多组测量，来获得相比于现有的DOA方法更高的测量精度。
本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于可调夹角均匀线阵的水下波达方向估计装置，包括数据处理与控制模块、角度控制模块、发射模块、接收模块、输出模块和电源模块；电源模块与数据处理与控制模块、角度控制模块、发射模块、接收模块和输出模块相连，它能够为这些模块供电；
数据处理与控制模块是整个装置的核心部分，其它所有模块都与它直接相连；它可以控制发射模块，使发射模块发射指定的信号；可以控制角度控制模块，使两均匀线阵的夹角转至设定值；还能够对接收模块传过来的信号进行处理，计算出波达方向角，然后将结果传输至发射模块。
优选的，数据处理与控制模块由一对A/D、D/A转换器和一个处理器组成。
优选的，角度控制模块包括一个步进电机和驱动电路，用来控制两线阵之间的夹角；步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，当驱动电路收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动固定的角度，可以通过使数据处理与控制模块发射一定数量的脉冲信号来达到期望的角度值。
优选的，接收模块包括两个超声波接收探头阵列，两阵列之间的夹角是可变的并且夹角可以通过角度控制模块进行调节。
具体的，水平阵列L1和步进电机固定在一起，阵列L2安装到步进电机上并且保证阵列L1和阵列L2在同一平面上，阵列L2可由步进电机带动旋转，从而达到两线阵夹角调节的目的。
具体的，在阵列L1末端有一个的固定支架，固定支架采用塑料材质；步进电机定子连接在此支架上，步进电机转子连接阵列L2。
优选的，发射模块包括一个阻抗匹配电路和一个超声波发射探头。
优选的，输出模块包括一个USB接口和一个显示器，它能够提供人机交互，将数据处理与控制模块中处理好的数据通过USB接口输出到外部装置或者在显示器上显示出来。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本实用新型采用两个夹角可以调节的均匀线阵，由于两线阵夹角可变，通过取不同值进行多次测量，可以更好的消除误差。
2、本实用新型装置在传统的测量装置上进行了改进，使用夹角可调剂的均匀线阵，可行性强，安装简单。除此之外，现代处理器计算处理能力的不断提高，这使得本实用新型所使用的处理器等芯片的集成度高，并且计算能力强，从而保证了本实用新型的可行性。
附图说明
图1为实施例装置的硬件结构模块图。
图2为接收模块连接示意图。
图3为接收模块连接俯视图。
图4为接收模块连接侧视图。
图5为实施例所用的可调夹角均匀线阵模型。
图6为水平均匀线阵的接收信号模型。
图7为信号从区域1入射时的可调夹角均匀线阵模型。
图8为信号从区域2入射时的可调夹角均匀线阵模型。
图9为信号从区域3入射时的可调夹角均匀线阵模型。
图10为信号从区域4入射时的可调夹角均匀线阵模型。
图11为实施例方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例1
一种基于可调夹角均匀线阵的水下波达方向估计方法，通过对两个线阵的接收信号进行处理，在波达方向估计中可以消去声速这个因子，从而消除水下声速不确定性对目标定位精度的影响。其次由于两均匀线阵夹角可变，在实际测量中可以改变夹角进行多次测量，更好地消除误差。
本方法采用两个夹角可调节的均匀线阵，两线阵都有M个阵元且阵元之间距离为d；K个窄带目标声源分别为S1,S2,…,SK，中心频率为f；声波入射方向与水平均匀线阵正轴方向的夹角为β,β∈(0,π)；本方法将测量N次不同的线阵夹角值αn,n＝1,2,...,N且αn∈(0,π/2)，具体步骤如下：
步骤一：建立夹角可调均匀线阵模型，如图5所示。在水中放置两个夹角为αn的均匀线阵，一个水平方向的均匀线阵和一个倾斜的均匀线阵，分别设为x轴和y轴。根据线阵夹角αn以及声波入射方向与x轴正轴方向的夹角β将声波信号入射区域设为4个：当β∈(0,αn)时，声波信号为区域1入射；当β∈(αn,π/2)时，声波信号为区域2入射；当β∈(π/2,π/2+αn)时，声波信号为区域3入射；当β∈(π/2+αn,π)时，声波信号为区域4入射；
步骤二：建立两均匀线阵的信号接收模型。当线阵夹角为αn时，K个窄带目标声源对应于水平线阵的方向角分别为θnx1,θnx2,...,θnxK，对应于倾斜线阵的方向角分别为θny1,θny2,...,θnyK。水平均匀线阵的模型场景如图6所示。以第一个阵元为参考点，则第一个阵元在t时刻接收的信号为：
其中si(t)表示第i个源信号，n1(t)表示第一个阵元上的噪声。
接收信号满足窄带条件，即当信号延迟远小于带宽倒数时，延迟作用相当于使基带信号产生一个相移。那么第m个阵元在同一时刻接收到的信号为：
其中λi表示第i个目标源反射回来的声波波长，nm(t)表示第m个阵元上的噪声。将各阵元的接收信号排列成列向量形式，则整个水平线阵接收的信号可用以下矢量式子表示：
X(t)＝AS(t)+N(t) (1)
其中，为M×K的导向矢量矩阵，X(t)＝[x1(t),x2(t),…,xM(t)]T为M×1的接收信号矩阵，S(t)＝[s1(t),s2(t),…,sK(t)]T为K×1的源信号矩阵，N(t)＝[n1(t),n2(t),…,nM(t)]T为M×1的噪声矩阵。同理可得出倾斜均匀线阵的信号接收模型。
步骤三：建立均匀线阵子阵列模型，推导旋转算子表达式。将水平线阵中的M个阵元分为两个平移矢量为d的子阵列Zhx和Zhy。子阵列Zhx由水平阵列的第一到第M-1个阵元组成，则有：
xh1(t)＝x1(t),xh2(t)＝x2(t),…,xh(M-1)(t)＝xM-1(t)
其中，xh1(t),xh2(t),…,xh(M-1)(t)分别是子阵列Zhx上第一个阵元到第M-1个阵元接收到的信号。
子阵列Zhy由水平阵列的第二到第M个阵元组成，则有：
yh1(t)＝x2(t),yh2(t)＝x3(t),…,yh(M-1)(t)＝xM(t)
其中，yh1(t),yh2(t),…,yh(M-1)(t)分别是子阵列Zhy上第一个阵元到第M-1个阵元接收到的信号。
那么两个子阵列中第m个阵元的接收信号分别为：
其中nhxm(t)和nhym(t)分别为子阵Zhx和Zhy上第m个阵元的加性噪声。将上式写成矢量形式：
Xh(t)＝AS(t)+Nhx(t)
Yh(t)＝AΦxS(t)+Nhy(t)
其中矩阵Φx为K×K的对角矩阵，它是把子阵Zhx和Zhy的输出联系起来的酉阵，也称旋转算子，其对角元素包含了K个信号的波前在任意一个阵元偶之间的相位延迟信息，表示为：
根据以上步骤，同理可以将倾斜均匀线阵分为两个子阵列Zvx和Zvy，得到接收信号Xv(t)和Yv(t)，从而得出旋转算子为：
步骤四：建立旋转算子Φx和Φy与θnxi和θnyi之间的关系。Xh(t)的协方差矩阵可以表示为：
Rhxx＝E[Xh(t)XhH(t)]＝ARssAH+σ2I
其中Rss＝E{S(t)SH(t)}，为信源部分协方差矩阵。
Xh(t)和Yh(t)的互协方差矩阵为：
Rhxy＝E{Xh(t)YhH(t)}＝ARssΦxHAH+σ2Z
对矩阵协方差矩阵进行特征值分解得到最小特征值为σ2，利用σ2可以得到矩阵束{Chxx,Chxy}，其中Chxx＝Rhxx-σ2I＝ARssAH，Chxy＝Rhxy-σ2Z＝ARssΦxHAH。计算矩阵束{Chxx,Chxy}的广义特征值分解，得到非零特征值λx1,λx2,…,λxK,它们一一对应着矩阵Φx对角线上的元素，但对应关系并不确定，因此由公式(2)可记：
其中φxi为矩阵Φx上的对角元素，且φxi∈{λx1,λx2,…,λxK},i＝1,2,…,K。
根据以上步骤，同理可以求得倾斜均匀阵列的两个协方差矩阵Rvxx和Rvxy，然后对矩阵束{Cvxx,Cvxy}进行特征值分解得到特征值λy1,λy2,…,λyK，它们同样一一对应着矩阵Φy上的对角元素，但对应关系同样不确定，由公式(3)可记：
其中φyi为矩阵Φy上的对角元素，且φyi∈{λy1,λy2,…,λyK},i＝1,2,…,K。
步骤五：建立声波信号从不同区域入射时两个方向角之间的关系。
(1)当声波从区域1入射时，如图7所示，θ1i为声波入射方向与水平线阵法线的夹角，θ1j为声波入射方向与倾斜线阵法线的夹角，此时有θ1i+θ1j＝π-αn。由于处在x轴上的阵列信号是以处在x轴最负方向的阵元为参考阵元的，并且子阵Zhx也在子阵Zhy的负x轴方向。因此当声波从区域1中入射时，参考阵元是最晚接收到信号的，子阵Zhx中的阵元也比子阵Zhy中对应的阵元晚接收到信号，从而可以得到时延参数τ小于0，又因为所以此时有θnxi＝-θ1i，同理有θnyi＝-θ1j。综上可得出：
θnyi＝-θnxi+αn-π (6)
(2)当声波从区域2入射时，如图8所示，θ2i为声波入射方向与水平线阵法线的夹角，θ2j为声波入射方向与倾斜线阵法线的夹角，此时有θ2j-θ2i＝αn，根据(1)中所用分析方法，此时有θnxi＝-θ2i，θnyi＝-θ2j，综上可得出：
θnyi＝θnxi-αn (7)
(3)当声波从区域3入射时，如图9所示，θ3i为声波入射方向与水平线阵法线的夹角，θ3j为声波入射方向与倾斜线阵法线的夹角，此时有θ3i+θ3j＝αn，根据(1)中所用分析方法，此时有θnxi＝θ3i，θnyi＝-θ3j，综上同样可得出：
θnyi＝θnxi-αn
(4)当声波从区域4入射时，如图10所示，θ4i为声波入射方向与水平线阵法线的夹角，θ4j为声波入射方向与倾斜线阵法线的夹角，此时有θ4i-θ4j＝αn，根据(1)中所用分析方法，此时有θnxi＝θ4i，θnyi＝θ4j，综上同样可得出
θnyi＝θnxi-αn
根据公式(6)和公式(7)可以得到：
sinθnyi＝sin(θnxi-αn) (8)
将公式(8)带入公式(5)，则有：
步骤六：对矩阵Φx和矩阵Φy上的对角元素φxi与φyi进行配对。根据公式(4)和公式(9)可知，若配对成功，则有以下式子成立：
将arg(λx1),arg(λx2),…,arg(λxK)按照各自的平方大小顺序从大到小排列得到序列H；将arg(λy1),arg(λy2),…,arg(λyK)按照各自的平方大小顺序从小到大排列得到序列V。于是有：
其中hi为序列H中的第i个元素；vi为序列V中的第i个元素。
步骤七：根据配对结果求出θnxi的大小。
根据公式(10)可以得出：
步骤八：改变两均匀线阵之间的夹角αn,n＝1,2,...,N，重复步骤1至步骤7。对于不同的线阵夹角αn，由公式12求出对应的波达方向角，最后对N个结果取平均值得出最终结果θxi,i＝1,2,...,K。
根据以上算法流程可知，本实施例提出的改进算法不需要知道声速的大小就可以对θxi进行精确的估计，即可以在声速不确定的情况下估计出波达方向角θxi的值，克服了传统ESPRIT算法的缺点。同时通过改变两线阵之间的夹角进行多次估计最后取平均值，可以有效地消除误差。
以上方法的流程图可以由图11表示。
实施例2
一种基于可调夹角均匀线阵的水下波达方向估计装置，如图1所示，包括数据处理与控制模块、角度控制模块、发射模块、接收模块、输出模块和电源模块。
数据处理与控制模块由一对A/D、D/A转换器和一个处理器组成，是整个装置的核心部分，其它所有模块都与它直接相连。它可以控制发射模块，使发射模块发射指定的信号；可以控制角度控制模块，使两均匀线阵的夹角转至设定值；还能够对接收模块传过来的信号进行处理，通过实施例1的算法计算出波达方向角，然后将结果传输至发射模块。
角度控制模块用来控制两线阵之间的夹角，由一个步进电机和驱动电路组成。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，当驱动电路收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动固定的角度，称为步距角。所以可以通过使数据处理与控制模块发射一定数量的脉冲信号来达到期望的角度值。
接收模块由两个超声波接收探头阵列组成，两阵列之间的夹角是可变的并且夹角可以通过角度控制模块进行调节，如图2所示，水平阵列L1和步进电机固定在一起，阵列L2安装到步进电机上并且保证阵列L1和阵列L2在同一平面上，阵列L2可由步进电机带动旋转，从而达到两线阵夹角调节的目的。图3和图4分别为装置连接俯视图和侧视图，如图所示，在阵列L1末端有一个的固定支架，因为接收模块会放置在水中，所以固定支架采用塑料材质以增大浮力。步进电机定子连接在此支架上，步进电机转子连接阵列L2。两阵列还能接收从目标声源发射回来的信号，然后将其进行A/D转换后传送至处理器。
发射模块由一个阻抗匹配电路和一个超声波发射探头组成，通过D/A转换器与处理器相连，能够根据处理器发出的指令发射指定的信号。
输出模块由一个USB接口和一个显示器组成，并且与数据处理与控制模块和电源模块相连。它能够提供人机交互，将数据处理与控制模块中处理好的数据通过USB接口输出到外部装置或者在显示器上显示出来。
电源模块由一个电源组成，并且与数据处理与控制模块、角度控制模块、发射模块、接收模块和输出模块相连。它能够为这些模块供电。
本装置的主要工作流程如下：在实测过程中根据想要发射的信号参数，通过数据处理与控制模块输入对应的参数，使处理器产生相应的数字信号，然后通过D/A转换后传给发射模块，超声波发射探头就能产生我们需要的信号并进行发射。两线阵之间的夹角值可以通过数据处理与控制模块进行设定，处理器发送特定的脉冲信号到角度控制模块的驱动电路，然后驱动电路就可以驱动步进电机转动至需要的角度。接收模块中的接收阵列收到从目标声源反射回来的信号后将其通过A/D转换成数字信号后发送给处理器，然后处理器根据提供的算法计算出结果。最后数据处理与控制模块将计算结果传给输出模块，输出模块将结果通过USB接口传给外部设备或者通过显示器显示出来。电源模块为所有其它模块供电。
本装置包括数据处理与控制模块、角度控制模块、发射模块、接收模块、输出模块和电源模块。数据处理与控制模块可以用DSP芯片实现(如：TI公司TMS320VC5509A型号的DSP芯片)，此DSP芯片可实现A/D转换和D/A转换的功能，并能够实现均匀线阵的旋转算子和最终波达方向的计算；角度控制模块包括步进电机和驱动电路，采用富兴公司HSTM42-1.8-D-26-4-0.4型号的步进电机，此步进电机的步距角为1.8度，驱动电路采用ULN2003芯片；发射模块使用一个超声波发射探头；接收模块使用两个可调夹角的均匀直线阵列，其中每个阵列包括多个超声接收探头，并且数量相同，两线阵按图2所示组装；输出模块使用一个USB接口和一个LCD显示屏。图1即为本实用新型所述装置的硬件结构模块图。
工作步骤具体如下：
步骤1：设置5个不同的线阵夹角值，即取N＝5，分别为15°，30°，45°，60°，75°。在数据处理与控制模块设定线阵夹角值，通过角度控制模块将两线阵夹角转为15°。在水下放置4个目标声源，与水平阵列法线的夹角分别为30°，60°，-30°，-60°。通过数据处理与控制模块设置发射模块的参数，使其发射信号的频率为100kHz,脉冲长度5ms。设置接收阵列参数，将两均匀线阵各自的阵元个数M定为10，阵元之间距离d设为5mm，则前9个阵元为一子阵，后9个阵元为另一子阵，两子阵之间距离为d。
步骤2：对超声接收探头接收到的目标声源信号进行采样；水平方向均匀阵列接收到的信号分别为xx1(t),xx2(t),…,xx8(t)和yx1(t),yx2(t),…,yx8(t)，倾斜方向均匀阵列接收的信号分别为xy1(t),xy2(t),…,xy8(t)和yy1(t),yy2(t),…,yy8(t)。共采样接收200次，并将接收到的信号传递给数据采集处理与控制模块做运算处理。
步骤3：信号在数据采集处理与控制模块中的处理步骤具体如下：
1)将处在水平方向上的均匀阵列接收到的信号排成矢量形式Xh(t)和Yh(t)，计算Xh(t)的协方差矩阵Rhxx＝E[Xh(t)XhH(t)]，Xh(t)和Yh(t)之间的互协方差矩阵Rhxy＝E{Xh(t)YhH(t)}。同时对倾斜方向上的均匀阵列接收到的信号也进行相同处理，得到Rvxx＝E[Xv(t)XvH(t)]和Rvxy＝E{Xv(t)YvH(t)}
2)对水平阵列中的两个协方差矩阵Rhxx和Rhxy进行特征值分解，得到最小的特征值σ2，从而有Chxx＝Rhxx-σ2I＝ARssAH和Chxy＝Rhxy-σ2Z＝ARssΦHAH。同时对倾斜阵列中的两个协方差矩阵进行相同的处理，得到Cvxx和Cvxy。
3)分别计算矩阵束{Chxx,Chxy}和{Cvxx,Cvxy}的广义特征值分解，得到λx1,λx2,…,λxK和λy1,λy2,…,λyK。
4)将arg(λx1),arg(λx2),…,arg(λxK)按照各自的平方大小顺序从大到小排列得到序列H，将arg(λy1),arg(λy2),…,arg(λyK)按照各自的平方大小顺序从小到大排列得到序列V。然后把H中第i个元素hi的值赋给arg(φxi)，V中第i个元素vi的值赋给arg(φyi)。
5)根据匹配得出的arg(φxi)和arg(φyi)以及两线阵之间的夹角最终求得：
步骤4：将计算出的方向角信息存储下来，并传送给输出模块，使其通过USB接口输出给外部装置或者显示在LCD显示屏上。
步骤5：改变两线阵之间的夹角，分别设为30°，45°，60°，75°根据每次计算出来的结果最后取平均值，根据算法估计出的方向角分别为30°，60°，-30°，-60°，与实际角度相同，说明估计结果正确，本方法及装置可行。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。