[发明专利]一种用于水声换能器线阵的幅相误差校正方法

说明书

技术领域

本发明涉及阵列校正技术，特别涉及一种用于水声换能器线阵的幅相误差校正 方法。

背景技术

现有的阵列校正方法可以分为有源校正法、自校正法、辅助阵元法等几类。有 源校正法通过在空间设置方位精确已知的辅助信源对阵列扰动参数进行离线估计， 有源校正法的缺点在于需要位置精确已知的信源。自校正法不需要位置精确已知的 信源，而且能在线完成DOA的估计，但是自校正法一般都采用迭代算法来对信源方 向和误差参数进行联合估计，不仅运算量大，而且还有可能收敛到局部最优点而不 是全局最优点。辅助阵元法是利用经过精确校正的辅助阵元达到自校正的目的，这 种方法的优点在于可以在多源情况下对信源方位和其对应的阵元幅相误差进行无模 糊联合估计，运算量小，只需参数的一维搜索，但是这种方法需要引入精确校正的 辅助阵元。

除了以上几种阵列校正方法以外，还可以利用采样信号协方差矩阵的一些特点 来对幅相误差和信源方位进行联合估计，如利用协方差矩阵的拓普利兹性来对阵列 幅相误差进行估计，但这些方法有的对相位误差的估计存在一个任意的旋转因子， 有的则要求各通道的相位误差之和近似为零。

目前水声换能器阵列的应用越来越广，例如多波束测深系统、高分辨率测深侧声 纳、声相关海流剖面仪和前视声纳等系统中都可能使用水声换能器阵列，其中线阵 的应用也非常广，它的一个最主要的应用是进行DOA估计。但由于一般水声换能器 阵列具有以下特点：a)各基元的幅相误差与信号入射方向有关；b)阵列幅相误差 不能进行微扰动假设，相位误差之和不能近似为零；c)一般难以添加辅助阵元，特 别是对有些高频换能器阵，相邻阵元间距仅为几个毫米或者更小。上述特点使得前 面介绍的方法很难应用于水声换能器阵列的幅相误差的校正。

发明内容

本发明的目的在于，为了克服现有传统的阵列校正方法均不能应用于具有各向 异性、阵元间距小、相位误差和较大等特点的水声换能器线阵的校正中，从而提供 一种用于水声换能器线阵的幅相误差校正方法，该方法首先得到阵列幅相误差随入 射角变化的曲线，然后再利用这些曲线对DOA估计进行校正。这种方法不需要对换 能器阵列的幅相误差进行微扰动假设，考虑到了在不同的入射角处各阵元的幅相误 差的不一致性，具有一定的普遍适用性，尤其适用于高频水声换能器的校正。

为了达到上述目的，本发明提出的一种用于水声换能器阵列的幅相误差校正方 法，假设有一M元换能器线阵，存在方位依赖的幅相误差，相邻阵元间距为d(一 般为半波长)。我们将发射换能器固定在一点不动，通过行车回转装置旋转水听换能 器阵来实现在不同入射角的接收信号的测量。实际中换能器旋转角度的绝对值很难 精确知道，但是换能器旋转角度的相对值较容易精确控制。所以令换能器每次旋转 一定的角度，只要再确定旋转起始角就可以得到各个方位的实际入射角，之后可以 用自校正的方法得到各角度幅相位误差的估计，并用它们校正DOA，包括以下步骤：

(100)测量并计算得到阵列幅相误差随入射角变化的曲线；

(200)利用阵列幅相误差随入射角变化的曲线对波达方向估计进行校正。

所述步骤(100)包括以下子步骤：

(110)得到不同入射角度的采样数据矩阵；

(120)估计各角度对应的幅度误差；

(130)估计起始旋转角度，从而得到各入射角；

(140)估计各角度对应的相位误差，得到阵列幅相误差随入射角的变化曲线。

所述步骤(110)具体步骤如下：

(110)将换能器旋转到某个角度，假设为θ，该角度为待估计量，所以只要旋 转到一个大概的角度就可以了，这个大概的角度视具体换能器用到哪部分开角而定。 例如，如果换能器用到其±60°开角之间的部分，那么这里的初始角应该保证在60° 到70°之间。每次旋转的角度为Δθ，Δθ视对校正精度的要求和实际操作方便而定， 一般取1°到2°之间的某个值。共测量P个点，保证对整个开角范围的覆盖。P个入 射角分别为：

θ，θ-Δθ，θ-2×Δθ，…θ-(P-1)×Δθ。

对于不同的入射角度分别得到采样数据矩阵X₁，X₂，…X_P，快拍数为L。

所述步骤(120)具体步骤如下：

(120)利用协方差矩阵R的拓普利兹性估计幅度误差