專利名稱：一種大孔徑水聲柔性陣陣形自校準裝置及方法
技術領域：
本發明涉及水聲信號處理技術領域中的水聲被動定位方法，尤其涉及一種大孔徑水聲柔性陣陣形自校準裝置及方法。
背景技術：
水聲被動定位是水聲信號處理領域的一項難題。基于TDOA的方法是最常用的水聲被動定位算法之一，并廣泛應用于實時水聲被動定位系統中。該算法根據到達水聽器陣列不同基元的信號相對時延來進行目標方位、距離和深度參數的估計。根據所使用的參數估計方法不同，基于TDOA的目標參數估計可以分為最大似然估計(MLE)和最小二乘方法(LSE)估計。最小二乘估計不需要任何先驗知識，并能給出閉合形式(closed form)的解，通常用來求解超定方程組，因此在需要實時處理的被動定位系統中得到了廣泛的應用。在無干擾噪聲的情況下，根據r維空間中r+Ι個基元間的r個信號到達時延差就能夠唯一確定目標聲源的位置[1]。有噪聲存在時，信號到達時延的測量會產生誤差，為了彌補干擾噪聲造成的影響，定位所使用的基元個數要多于r+Ι個。
基于TDOA的被動定位系統的精度高低與基陣孔徑大小有著密切的關系，基陣孔徑越大，定位精度越高。對于船載被動定位系統來說，充分利用船體平臺所能提供的空間和尺度是擴大基陣孔徑的一種有效方法。但是，如果大孔徑陣各基元之間采用剛性連接方式，會給基陣的布放和回收帶來很大的不便。為了解決這個問題，在船載被動定位系統中采用柔性陣作為接收基陣，其各基元均采用軟連接方式(不作剛性固定)。柔性陣的基元位置是不確定的，呈隨機擾動狀態，要使用前述的基于最小二乘的TDOA被動定位算法，就必須對柔性陣的陣形進行校準。
對于采用球面內插法[2]和柔性陣的被動定位系統，被測目標與柔性陣中心基元的距離的估計僅與柔性陣各基元的相對位置有關，而與柔性陣基元的絕對位置無關。因此，本發明的方法僅解算柔性陣各基元的相對位置，而不測定各基元的絕對坐標。
參考文獻
[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.發明內容
發明目的:針對現有技術中存在的問題與不足，本發明提供一種大孔徑水聲柔性陣陣形自校準裝置及方法。
技術方案:一種大孔徑水聲柔性陣陣形自校準裝置，主要包括以下部分:
(I)三只復合式收發水聲換能器，其水聽器部分用作水聲柔性陣的三個基元，其發射換能器部分發射陣形自校準信號，對三只復合式收發水聲換能器分別命名為T/% (其發射換能器部分命名為T1，水聽器部分命名為R1WR2 (其發射換能器部分命名為T2，水聽器部分命名為R2)和T/R5 (其發射換能器部分命名為T5，水聽器部分命名為R5)；
(2)三只水聽器，用作水聲柔性陣的另外三個基元，與三只復合式收發水聲換能器共同組成柔性陣的六個基元，對三只水聽器分別命名為Rtl, R3和R4 ；
(3)—臺三通道的功率放大器，用來為復合式收發水聲換能器的發射換能器部分提供校準用的電信號，其三個信號輸入端命名為Pinp Pin2, Pin3，三個功率輸出端命名為Pout^ Pout2、Pout3,三個輸出控制端命名為Oen1、Oen2、Oen3,每個輸出控制端可設置為輸出或禁止狀態；
(4) 一套計算機處理系統，由一組三輸出通道的PCI接口數字-模擬轉換裝置、一組九輸入通道的PCI接口模擬-數字轉換裝置、一臺計算機以及一套校準軟件組成，計算機控制數字-模擬轉換裝置輸出陣形自校準信號，并通過處理模擬-數字轉換裝置采集的九個通道的信號，解算水聲柔性陣六個基元的坐標；三輸出通道的PCI接口數字-模擬轉換裝置的三個輸出端分別命名為E0UtpE0UtyE0Ut3 ;九輸入通道的PCI接口模擬-數字轉換裝置的九個輸入端分別命名為Rinn，n=l, 2，3...，9。
自校準裝置的連接方式如下:
每個復合式收發水聲換能器由固定在一起的一發射換能器和一水聽器構成，發射換能器位于水聽器上方10cm，且與水聽器的對稱軸重合，發射換能器和水聽器的電纜封裝于同一條多芯電纜中。
Eout1與Pin1相連接,Eout2與Pin2相連接、Eout3與Pin3相連接,Pout1與T1相連接，Pout2與T2相連接，Pout3與T5相連接。
Rin1與R0相連接`，Rin2與R1相連接，Rin3與R2相連接，Rin4與R3相連接，Rin5與R4相連接，Rin6與R5相連接，Rin7與Eout1相連接，Rin8與Eout2相連接，Rin9與Eout3相連接。
在計算機控制下，三輸出通道PCI接口數字-模擬轉換裝置輸出三組陣形自校準電信號，經過功率放大器放大后，由三只復合式收發水聲換能器的發射換能器部分!\、T2和T5轉換為聲信號；柔性陣的六個基元&、R1^ R2> R3> R4和R5接收這三組陣形自校準信號，并轉換為電信號，與三組陣形自校準電信號一并送入九輸入通道PCI接口模擬-數字轉換裝置進行數據采集，所采集得到的九通道的信號序列送給計算機進行處理。
三輸出通道PCI接口數字-模擬轉換裝置所輸出的三組陣形自校準電信號Sp S2和S3均為2DPSK信號，信號持續時間為12.8ms，S1首先輸出，35ms后輸出S2，再過35ms后輸出S3，且S1從Eout1輸出，S2從Eout2輸出，S3從Eout3輸出A1J2和S3的載波頻率為fc，SpS2和S3的載波相位分別被128個碼元的m序列m1、m2和m3調制，每個碼元的持續時間為0.1ms7Hi1^m2和m3均由7次本原多項式生成,Hi1的本原多項式為f (x) =x7+x+l,m2和m3的本原多項式為f (X) =X7+X3+X2+X+1，且IH1和m2構成優選對，m2和m3構成優選對；m序列中的數字信息“I”表示前后兩個碼元的初相位差為η，m序列中的數字信息“O”表示前后兩個碼元的初相位差為O。
大孔徑水聲柔性陣陣形自校準方法包括以下步驟:
(I)三只復合式收發水聲換能器和三只水聽器組成柔性陣，其中R0位于柔性陣中心，T/%、T/R2、R3、R4和T/R5按順時針方向均勻布放在以Rtl為圓心、半徑為R的圓周上，T/R” R。、R3共線，T/R2、R0, R4共線，且IVR1、R0, R3所在直線與T/R2、R0, R4所在直線夾角為90度，R0> IVR1、T/R2、R3> R4布放深度均為h1； T/R5布放于R0豎直下方H處，15m彡R彡30m，5m ^ H ^ IOm ；
(2)計算機控制三輸出通道PCI接口數字-模擬轉換裝置以210ms的周期重復輸出前述陣形校準信號S1、S2和S3 ；
(3)設置Oen1為輸出狀態，Oen2為禁止狀態，Oen3為禁止狀態，經過一段時間T1(2R/c ^ T1 ^ 210ms, c為水中聲速)延遲后，R0> R2> R3> R4均可接收到與S1信號形式相似的信號，該信號經過模擬-數字轉換裝置轉換后得到四組信號序列&、S21, S31, S41，設S1經過模擬-數字轉換裝置轉換后得到的信號序列為S1。，利用互相關時延估計法，估計Sc^S2Ps31、S41 相對于 S1。的時間延遲 TQ1、τ21、τ31、τ 41 ；
(4)設置Oen1為禁止狀態，Oen2為輸出狀態，Oen3為禁止狀態,經過一段時間T2(2R/c+35ms ^ T2 ^ 210ms)延遲后，R0> R3> R4均可接收到與S2信號形式相似的信號，該信號經過模擬-數字轉換裝置轉換后得到三組信號序列Sm、S32, S42,設S2經過模擬-數字轉換裝置轉換后得到的信號序列為S2。，利用互相關時延估計法，估計Sc^SpS42相對于S2。的時間延遲τ。2、τ 32、τ 42，并令時間延遲τ 12= τ 21 ；
(5)設置Oen1為禁止狀態，Oen2為禁止狀態，Oen3為輸出狀態，經過一段時間T3((R2+H2) 1/2/c+70ms ^ T3 ^ 210ms)延遲后，R0> R1' R2、R3> R4的水聽器均可接收到與S3信號形式相似的信號，該信號經過模擬-數字轉換裝置轉換后得到五組信號序列S45,設S3經過模擬-數字轉換裝置轉換后得到的信號序列為s3。，利用互相關時延估計法，估計3。5、315、525、535、545相對于53。的時間延遲 τ 05、τ 15、τ 25、τ 35、τ 45 ；
(6)將Oen1、Oen2和Oen3為均設置為輸出狀態，經過一段時間((R2+H2)1/2/c+70ms彡T4彡210ms)延遲后，則VmR4均可接收到三個陣形自校準信號，設Ri接收到的對應于S1的信號經過模擬-數字轉換裝置轉換后的信號序列為S’ n，i=0, 2，3，4，其與Slc的互相關函數序列為Ril ；Rj接收到的對應于S2的信號經過模擬-數字轉換裝置轉換后的信號序列為S’ i2，j=0，3，4，其與S2。的互相關函數序列為R-Rk接收到的對應于&的信號經過模擬-數字轉換裝置轉換后的信號序列為S’ k5，k=0, 1，2，3，4，其與S3。的互相關函數序列為Rk5 ；
利用互相關時延 估計法，在初始值τ η前后1.5ms范圍內搜索序列Ril的最大值及對應的時間延遲τ ’ η,在初始值τ J2前后1.5ms范圍內搜索序列Rj2的最大值及對應的時間延遲τ ’ j2，在初始值τ k5前后1.5ms范圍內搜索序列Rk5的最大值及對應的時間延遲T k5 ；
(7)設水中聲速為C，根據步驟(6)得到的時間延遲τ ’ η，τ ’ j2和τ ’ k5，計算出12 組基元之間的間距 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的坐標，完成柔性陣陣形校準:設 R0> IVR1、T/R2、R3> R4 和 T/R5 的坐標為 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 為坐標系的原點 ο，即 x0-y0-z0-O，p0、P1、p2 二點構成xoy平面，P0和P1的連線構成X軸，且P1位于X軸的負半軸，過P。且垂直于PqP1連線的直線構成y軸，過Pci且垂直于Xoy平面的直線構成z軸，X軸、y軸和z軸構成右手坐標系，Pi (xi, Yi, Z1)、p2 (x2, j2, z2)、p3 (x3, y3, z3)、p5(x5, y5, z5)可用以下(1)式 (5)式計算:
權利要求
1.一種大孔徑水聲柔性陣陣形自校準裝置，其特征在于包括: 三只復合式收發水聲換能器，其水聽器部分用作水聲柔性陣的三個基元，其發射換能器部分發射陣形自校準信號，對三只復合式收發水聲換能器分別命名為: IyR1:其發射換能器部分命名為T1，水聽器部分命名為札、 T/R2:其發射換能器部分命名為T2，水聽器部分命名為R2、 T/R5:其發射換能器部分命名為T5，水聽器部分命名為R5 ； 三只水聽器，用作水聲柔性陣的另外三個基元，與三只復合式收發水聲換能器共同組成柔性陣的六個基元，對三只水聽器分別命名為Rtl, R3和R4 ； 一臺三通道的功率放大器，用來為復合式收發水聲換能器的發射換能器部分提供校準用的電信號，其三個信號輸入端命名為Pinp Pin2, Pin3，三個功率輸出端命名為Pout1'Pout2^Pout3,三個輸出控制端命名為OenpOen2Wen3,每個輸出控制端可設置為輸出或禁止狀態； 一套計算機處理系統，由一組三輸出通道的PCI接口數字-模擬轉換裝置、一組九輸入通道的PCI接口模擬-數字轉換裝置、一臺計算機以及一套校準軟件組成，計算機控制數字-模擬轉換裝置輸出陣形自校準信號，并通過處理模擬-數字轉換裝置采集的九個通道的信號，解算水聲柔性陣六個基元的坐標；三輸出通道的PCI接口數字-模擬轉換裝置的三個輸出端分別命名為E0UtpE0UtyE0Ut3 ;九輸入通道的PCI接口模擬-數字轉換裝置的九個輸入端分別命名為Rinn，n=l, 2，3...，9。
2.如權利要求1所述的大孔徑水聲柔性陣陣形自校準裝置，其特征在于:所述復合式收發水聲換能器由固定在一起的一發射換能器和一水聽器構成，發射換能器位于水聽器上方IOcm,且對稱軸重合,兩者的電纜封裝于同一條多芯電纜中。
3.如權利要求1所述的大孔徑水聲柔性陣陣形自校準裝置，其特征在于:所述E0ut1與Pin1相連接，Eout2與Pin2相連接、Eout3與Pin3相連接，Pout1與T1相連接，Pout2與T2相連接，Pout3與T5相連接。
4.如權利要求1所述的大孔徑水聲柔性陣陣形自校準裝置，其特征在于:所述Rin1與R0相連接，Rin2與R1相連接，Rin3與R2相連接，Rin4與R3相連接，Rin5與R4相連接，Rin6與R5相連接，Rin7與Eout1相連接，Rin8與Eout2相連接，Rin9與Eout3相連接。
5.如權利要求1-4任意一項所述的大孔徑水聲柔性陣陣形自校準裝置，其特征在于:在計算機控制下，三輸 出通道PCI接口數字-模擬轉換裝置輸出三組陣形自校準電信號，經過功率放大器放大后，由三只復合式收發水聲換能器的發射換能器部分T1、T2和T5轉換為聲信號；柔性陣的六個基元IV Rp R2、R3、R4和R5接收這三組陣形自校準信號，并轉換為電信號，與三組陣形自校準電信號一并送入九輸入通道PCI接口模擬-數字轉換裝置進行數據采集，所采集得到的九通道的信號序列送給計算機進行處理。
6.如權利要求5所述的大孔徑水聲柔性陣陣形自校準裝置，其特征在于:三輸出通道PCI接口數字-模擬轉換裝置所輸出的三組陣形自校準電信號S1、S2和S3均為2DPSK信號，信號持續時間為12.8ms, S1首先輸出，35ms后輸出S2，再過35ms后輸出S3，且S1WEout1輸出，S2從Eout2輸出，S3從Eout3輸出J1、S2和S3的載波頻率為f。，S1' S2和S3的載波相位分別被128個碼元的m序列Iiipm2和m3調制,每個碼元的持續時間為0.1msjHi1^m2和Hl3均由7次本原多項式生成，Hl1的本原多項式為f (x)=x7+x+l，m2和m3的本原多項式為f (X) =x7+x3+x2+x+l ,且IIi1和m2構成優選對,m2和m3構成優選對；m序列中的數字信息“ I ”表示前后兩個碼元的初相位差為π，m序列中的數字信息“O”表示前后兩個碼元的初相位差為O。
7.一種用于權利要求6的大孔徑水聲柔性陣陣形自校準方法，其特征在于包括以下步驟: (1)三只復合式收發水聲換能器和三只水聽器組成柔性陣，其中Rtl位于柔性陣中心，T/RpiynR4和T/R5按順時針方向均勻布放在以Rtl為圓心、半徑為R的圓周上，IVHR3共線，T/R2、Rc1、R4共線，且IVR1、Rtl、R3所在直線與T/R2、Rc1、R4所在直線夾角為90度，Rc1、IVR1、T/R2、R3、R4布放深度均為LIVR5布放于Rtl豎直下方H處，15m彡R彡30m, 5m ^ H ^ IOm ； (2)計算機控制三輸出通道PCI接口數字-模擬轉換裝置以210ms的周期重復輸出所述陣形校準信號SpS2和S3; (3)設置Oen1為輸出狀態，Oen2為禁止狀態，Oen3為禁止狀態，經過一段時間T1延遲后，其中，2R/c ^ T1 ^ 210ms, c為水中聲速，R。、R2、R3、R4均可接收到與S1信號形式相似的信號，該信號經過模擬-數字轉換裝置轉換后得到四組信號序列&、S21, S31, S41，設S1經過模擬-數字轉換裝置轉換后得到的信號序列為S1。，利用互相關時延估計法，估計S21,s31、S41 相對于 S1。的時間延遲 TQ1、τ21、τ31、τ 41 ； (4)設置Oen1為禁止狀態，Oen2為輸出狀態，Oen3為禁止狀態,經過一段時間T2延遲后，其中，2R/c+35ms ^ T2 ^ 210ms，&、&、&均可接收到與S2信號形式相似的信號，該信號經過模擬-數字轉換裝置轉換后得到三組信號序列Sm、S32, S42,設S2經過模擬-數字轉換裝置轉換后得到的信號序列為S2。，利用互相關時延估計法，估計Sc^SpS42相對于S2。的時間延遲τ。2、τ 32、τ 42，并令時間延遲τ 12= τ 21 ； (5)設置Oen1為禁止狀態, Oen2為禁止狀態,Oen3為輸出狀態,經過一段時間T3延遲后，其中，(R2+H2) 1/2/c+70ms ^ T3 ^ 210ms, R0, R1, R2, R3> R4的水聽器均可接收到與S3信號形式相似的信號，該信號經過模擬-數字轉換裝置轉換后得到五組信號序列Sc^SyS2PSpS45,設S3經過模擬-數字轉換裝置轉換后得到的信號序列為S3。，利用互相關時延估計法，估計S(I5、S15> S25 > S35、S45 相對于 S3。的時間延遲 τ 05' τ 15、τ 25、τ 35、Τ 45 ; (6)將OenpOen2和Oen3為均設置為輸出狀態，經過一段時間T4延遲后，(R2+H2)1/2/c+70ms彡T4彡210ms,則&、R1, R2, R3> R4均可接收到三個陣形自校準信號，設Ri接收到的對應于信號經過模擬-數字轉換裝置轉換后的信號序列為S’ n，i=0，2，3，4，其與Slc的互相關函數序列為Ril ；Rj接收到的對應于S2的信號經過模擬-數字轉換裝置轉換后的信號序列為S’ i2，j=0，3，4，其與S2。的互相關函數序列為Rp ;Rk接收到的對應于S3的信號經過模擬-數字轉換裝置轉換后的信號序列為S’ k5，k=0, I, 2，3，4，其與S3。的互相關函數序列為Rk5 ; 利用互相關時延估計法，在初始值τ η前后1.5ms范圍內搜索序列Ril的最大值及對應的時間延遲τ ’ η，在初始值τ J2前后1.5ms范圍內搜索序列Rp的最大值及對應的時間延遲τ ’ j2,在初始值τ k5前后1.5ms范圍內搜索序列Rk5的最大值及對應的時間延遲τ ’ k5 ; (7)設水中聲速為c，根據步驟(6)得到的時間延遲τ’η，1’」2和T’k5，計算出12組基元之間的間距 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的坐標，完成柔性陣陣形校準，設R0、!"/R1、T/R2、R3、R4 和 T/Rg 的坐豐不為 Po (x。，y。，z。)、P1 (x” y” Z1)、p2 (X2，y2, ^2)、P3 (X3，Iζ, Z3)、P4 (x4, y4, z4)、p5(x5, y5, z5),設 p0 為坐標系的原點 o,即 X0=Yo=Z0=O P0>Pi>P2 三點構成 xoy 平面,Ptl和P1的連線構成X軸,且P1位于X軸的負半軸，過Ptl且垂直于PtlP1連線的直線構成y軸，過Pci且垂直于xoy平面的直線構成z軸,X軸、y軸和z軸構成右手坐標系,P1 (X1, Y1, Z1)、P2 (x2, j2, z2)、P3 (x3, y3, z3)、P5 (x5, y5, z5)可用以下⑴式 (5)式計算:
全文摘要
本發明公開了一種大孔徑水聲柔性陣陣形自校準裝置及方法，在基于TDOA的柔性陣水聲被動定位系統中，利用柔性陣復合式水聲換能器的發射換能器部分發射陣形校準信號，柔性陣的各個水聽器接收陣形校準信號，通過測量陣形校準信號到達各個水聽器的時間延遲解算各個水聽器的坐標，從而完成柔性陣陣形的自校準。
文檔編號G01S5/18GK103163502SQ201310080458
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月14日 優先權日2013年3月14日
發明者安良 申請人:東南大學