理想的模型，定位精度更高，更符合实 际应用。
[0079] 2)在步骤1)推导的模型下具体近场波达方向估计方法估计出方位角和距离位置 参数，进而定位目标，具体流程图如图4所示，并详述如下：
[0080] 在实际应用中，声波在传播的过程中，会受到水流的影响而发生速度的改变，我们 可以利用现有的专利方法来获得水流的速度和方向。
[0081] 从步骤1)的水下近场模型可以看出，新的模型下的阵列流形矩阵A有别于传统理 想模型的阵列流形矩阵A，但是整个模型整体上仍旧是可以利用传统的D0A估计算法（如 MUSIC算法）来求解距离和方位角位置参数。则估计方法的详细步骤如下：
[0082] 2. 1)对接收M阵源的阵列信号做L次的快拍采样，得到MX L维的数据矩阵X ;
[0083] 2. 2)利用最大似然估计，计算出数据X协方差矩阵为：
[0084] Rx=XXh/L
[0085] 2. 3)对数据协方差矩阵艮进行特征值分解，得到M个特征值入= 1，...，M)和 相对应的特征矢量ei:
[0086] Rxei=人a, i = 1，2,…，M
[0087] 2. 4)划分信号子空间和噪声子空间，对艮的特征值进行升序排列 {^4…,4,4w,4}，即…乏4，其前k个小特征值A，4…又对应的特征 矢量组成信号子空间I % =[5P52，…,SJ，后M-K个大特征值4+1，…,iM:对应的特征矢量组 成噪声子空间[/w =[^+1，…，'];
[0088] 2. 5)构造新模型下的新的空间谱函数，即构造步骤1)推导的近场波达方向估计 模型的空间谱函数，因为新模型是有考虑到水流速度的影响，所以求出的时间差T mi与传 统模型有所不同，也就使得新模型下所求得的阵列流形矩阵A自然与传统理想场景的A有 所不同的，也即新模型下会有新的空间谱函数。对于第i个声源，新的空间谱函数为：
[0090]其中a( 0 i，ri)是导向矢量，即阵列流形矩阵A的列矢量；
[0092] 2. 6)进行方向和距离联合二维谱峰搜索，确定第K个声源的方向和距离信息：
[0093]
[0094] 以下为能够实现本实施例上述近场波达方向估计方法的装置，包括控制模块、发 射模块、接收模块、处理模块、显示模块、无线通信模块，如图5所示。所述控制模块，分别与 发射模块、接收模块、处理模块、显示模块，无线通信模块相连，用于对各个模块进行控制； 所述发射模块，与控制模块相连，根据控制模块的指令，进行超声发射；所述接收模块，分别 与控制模块、处理模块相连，根据控制模块的指令，接收目标声源信号并传送给处理模块； 所述处理模块，分别与控制模块、接收模块、显示模块相连，根据控制模块的指令进行数据 处理，其通过对接收信号进行分析，运用相关算法计算出目标的距离和方位角位置参数；所 述显示模块，分别与控制模块、处理模块相连，提供人机交互界面，供用户输入设定参数， 并根据控制模块的指令，将处理模块计算出的目标位置参数显示出来；所述无线通信模块， 与控制模块相连，提供水下与船舶或陆地之间数据传送的功能。其中，所述控制模块和处理 模块可以用DSP芯片实现（如：TI公司TMS320VC5509A的DSP芯片）；发射模块使用超声波 发射探头，接收模块使用多个超声接收探头组成的直线阵列；显示模块可采用LCD显示屏； 无线通信模块可以使用蓝绿激光器实现。本发明所述装置的硬件结构框图如图1所示，主 要包括超声波发射探头、超声波接收探头阵列、A/D转换器、D/A转换器、处理器、蓝绿激光 器、显示屏、电源和USB接口。
[0095] 基于上述近场波达方向估计方法，本发明所述装置工作的主要步骤如下：
[0096]步骤1 :通过显示模块提供的用户输入界面，向控制模块设定以下几项参数：1)阵 元类型为直线阵列；2)阵元个数为8个；3)待发射的超声频率为34kHz，脉冲长度5ms ;4) 采样次数为200拍次的采样。
[0097] 步骤2:控制模块控制超声接收探头接收目标声源信号；此处使用八个超声接收 探头，接收所获得的信号分别为 Xl (t)，x2 (t)，…，x8 (t)。t = 1，2,…，200,即共采样接收200 次，并将接收到的信号传递给处理模块做运算处理。
[0098] 步骤3:处理模块接收到接收模块传送过来的数据后，数字处理器中的处理步骤 具体如下：
[0099] 1)将接收数据存放在矩阵X中，并求得数据的协方差矩阵：RX=XXh/200。
[0100] 2)对数据协方差矩阵&进行特征值分解，得到M个特征值X和特征矢量 e :R xei =人心，i = 1，2, ...，M〇
[0101] 3)划分信号子空间和噪声子空间，对2)中求得的特征值进行升序排列 {《，毛，…，Hi，…，}，即4 2忑之…乏疋，。其前K个小特征值.4，12，…，，对应的特征 矢量组成信号子空间％ =叵為，…，后M-K个大特征值4+1，…,4:对应的特征矢量组 成噪声子空间=匕+1，…，gM]。
[0102] 4)进行方向和距离联合二维谱峰搜索，确定K个声源的方向和距离信息：其中，空 间谱函数为>
。而对0 i，&进行联合二维搜索即可得到第 i个信号源方位角和距离位置信息，做K次二维谱峰搜索即可确定K个声源的方向和距离信 息
3以K = 3,角度的搜索步长为1°，搜索范围是0° 到180°;距离的搜索步长为5cm，搜索范围是0m到50m为例，则方向和距离联合二维谱峰 搜索流程如图6所示。
[0103] 步骤4:将计算出的方位角和距离信息存储下来，并传送给显示模块，显示在LCD 显示屏上，也可以根据需要控制无线通信模块将目标位置信息发送至船舶或陆地。
[0104] 以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范 围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.基于线阵综合声速补偿的近场波达方向估计方法，其特征在于，包括w下步骤： 1) 推导综合声速补偿的近场波达方向估计模型 模型场景中有一均匀直线阵，有M个接收阵元，阵元间间距为d，被动式探测，有K个目 标声源Si，S,，…，Sk为点源，频率为t目标对应的方位角及距离参数分别为（0i，ri)，（ 0 2， r2)，…，（0K，rK)，其中ei是声源Si与阵列的参考点之间的连线与阵元所在直线之间的夹 角，0mi是声源Si与第m个阵元之间的连线与阵元所在直线之间的夹角，dm是第m个阵元 与参考点之间的距离，是声源Si与阵列参考点之间的距离，i= 1，2,…，K;设水流方向 与阵元所在直线之间的夹角为a，水流速度为声音在静止的水流中的速度设为V;对 模型详细推导如下： 1. 1)第i个声源到第m个阵元的距离为：其中，屯二虹-(M+l)/2]d; 1.2)声源Si与第m个阵元之间的连线与阵元所在直线之间的夹角0 为：1. 3)根据几何关系，可W求得第i个声源Si到达阵元参考点与到达第m个阵元所需的 时间之差Tmi，求得；因此，时间差Tmi可W该样表达：1. 4)对于K个声源信号，第m个阵元所接收到的全部信号为：其中，ni(t)是接收第i个声源时的噪声，Qmi是幅度衰减参数，且1. 5)由上述四步可W得出整个阵列第t个时刻的接收信号为： X(t) =AS(t)+N(t)2) 在步骤1)推导的模型下具体近场波达方向估计方法估计出方位角和距离位置参 数，进而定位目标，详细步骤如下： 2. 1)对接收M阵源的阵列信号做L次的快拍采样，得到MXL维的数据矩阵X; 2. 2)利用最大似然估计，计算出数据X协方差矩阵为： R,= XX VL 2. 3)对数据协方差矩阵Ry进行特征值分解，得到M个特征值Ai(i= 1，. . .，M)和相 对应的特征矢量ei; 尺其二入脚，i= 1，2,…，M 2. 4)划分信号子空间和噪声子空间，对馬的特征值进行升序排列 成毛，…，足，足+1，…，也}，即^ ，其前K个小特征值本疋，…，足对应的特征矢 量组成信号子空间l/s=[gi，g;，…，gj，后M-K个大特征值右-+1，…，对应的特征矢量组成噪 声子空间的=良+1，…， 2.5) 构造新模型下的新的空间谱函数，即构造步骤1)推导的近场波达方向估计模型 的空间谱函数，因为新模型是有考虑到水流速度的影响，所W求出的时间差Tmi与传统模 型有所不同，也就使得新模型下所求得的阵列流形矩阵A自然与传统理想场景的A有所不 同的，也即新模型下会有新的空间谱函数，对于第i个声源，新的空间谱函数为：其中a( 0。ri)是导向矢量，即阵列流形矩阵A的列矢量；2.6) 进行方向和距离联合二维谱峰捜索，确定第K个声源的方向和距离信息：2.-种基于线阵综合声速补偿的近场波达方向估计装置，其特征在于：包括控制模 块、发射模块、接收模块、处理模块、显示模块、无线通信模块，其中： 所述控制模块，分别与发射模块、接收模块、处理模块、显示模块，无线通信模块相连， 用于对各个模块进行控制； 所述发射模块，与控制模块相连，根据控制模块的指令，进行超声发射； 所述接收模块，分别与控制模块、处理模块相连，根据控制模块的指令，接收目标声源 信号并传送给处理模块； 所述处理模块，分别与控制模块、接收模块、显示模块相连，根据控制模块的指令进行 数据处理，其通过对接收信号进行分析，运用相关算法计算出目标的距离和方位角位置参 数； 所述显示模块，分别与控制模块、处理模块相连，提供人机交互界面，供用户输入设定 参数，并根据控制模块的指令，将处理模块计算出的目标位置参数显示出来； 所述无线通信模块，与控制模块相连，提供水下与船舶或陆地之间数据传送的功能。
【专利摘要】本发明公开了一种基于线阵综合声速补偿的近场波达方向估计方法及装置，其方法包含两大步骤，分别是：1)推导综合声速补偿的近场波达方向估计模型；2)在步骤1)推导的模型下具体近场波达方向估计方法估计出方位角和距离位置参数，进而定位目标。本发明相对传统的水下目标定位方法更具有实用性，精度高。传统的方法在每一条传播路径上都使用了相同的声速，忽略了水流影响导致的综合声速的改变，在复杂的水流环境下会产生较大的误差，定位精度不高，不具有实用性，而本发明方法采用的是综合的空变声速，考虑到水流速的补偿，具有实用性和高精度的定位。
【IPC分类】G01S5/22
【公开号】CN104931929
【申请号】CN201510317859
【发明人】宁更新, 钟英文, 杨文圣, 张军, 冯义志, 季飞
【申请人】华南理工大学
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年6月11日