[发明专利]一种用于二维波达方向估计的声速测量方法及装置

说明书

本发明公开了一种用于二维波达方向估计的声速测量方法及装置。测量方法包括如下步骤：确定水平均匀线阵和竖直均匀线阵的接收信号模型；计算水平均匀线阵和竖直均匀线阵的旋转算子；建立声波在正交均匀线阵上两个方向角之间的关系；根据两方向角之间的关系求出探测路径上声速的大小。装置包括数据采集处理与控制模块、发射模块、接收模块、输出模块和电源模块；数据采集处理与控制模块由一个处理器、一个D/A转换器和一个A/D转换器组成，并且与发射模块、接收模块、输出模块和电源模块相连；本发明的一种用于二维DOA估计的声速测量方法，实现对二维DOA估计中的探测路径声速大小进行精确的测量，本发明装置可行性强，安装简单。

技术领域

本发明涉及声速测量的技术领域，尤其是指一种用于二维波达方向估计的声速测量方法及装置。

背景技术

空间信号的波达方向(简称：DOA)估计是阵列信号处理领域的一项重要技术，它利用阵列对空间信号进行接收和处理，提取有用的信号特征或信息，以此来估计信号的入射角，并常常用于水下目标定位中。二维DOA估计可以对目标的方向角和距离进行估计，但最终的估计结果受探测路径上的声速大小影响很大，如果探测路径声速测量得不精准，就会对二维DOA估计的结果产生影响。而在进行水下目标定位时，二维DOA估计通常是利用一片海水区域内的声速来代替每条探测路径上的声速，但是海水环境复杂，且受水流因素影响较大，每一条探测路径上的声速其实是不一样的，即二维DOA估计中对探测路径声速的确定是不准确的，这将导致二维DOA估计的估计误差较大。因此精准的水下探测路径声速测量对二维DOA估计至关重要。

目前，海水声速测量方法主要分为两种：一种是直接法，另外一种是间接法。直接法是用水声设备直接在海洋现场测量海水声速，它可分为时差法、共振声谱法、驻波干涉法与相位比较法等方法。而间接法则是根据海水中的深度、温度和盐度三个主要影响海水声速大小的因素，经过成百上千次的分析和实践，提出一种经验公式，利用此经验公式来测量海水声速。根据经验公式的不同，间接法可分为Del Grosso声速算法、Wilson声速算法和Chen-Millero-Li声速算法三种声速算法。直接法和间接法虽然原理简单且操作较方便，但它们都需要在目标位置已知的情况下才能对某一条探测路径上的声速进行测量，而在二维DOA估计中，目标位置都未知的且是用来估计的；同时，间接法测量的是一个声速分布较均匀的海水环境中的声速，它测量的并不是某一条路径上的声速，即点对点声速，因此直接法和间接法对二维DOA估计的水下探测路径声速大小的测量并不具有实用性。

为了克服在利用直接法和间接法测量二维DOA估计的声速过程中存在的局限性，本专利使用两个相互正交的均匀阵列作为接收阵列，利用从目标反射回来的声波在两个阵列中形成的方向角间的关系，得到二维DOA估计中探测路径声速与两个旋转算子之间的关系式，然后再计算出声速的大小，实现了在二维DOA估计中对水下探测路径声速的精准测量。因此，本专利方法对二维DOA估计中的声速测量更具有实用性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有方法存在的各种不足，提供一种用于二维DOA估计的声速测量方法，实现对二维DOA估计中的探测路径声速大小进行精确的测量。

另外，本发明另一目的在于提供一种用于二维DOA估计的声速测量装置。

本发明方法的原理是基于从目标反射回来的声波在两个正交的均匀线阵上形成的方向角相加或相减等于的关系，得出两个均匀线阵上的旋转算子与二维DOA估计中的探测路径声速间的关系式，最后通过计算两均匀线阵上的旋转算子来求得最终探测路径声速大小的。

为了实现上述目的，本发明至少通过以下技术方案实现。

一种用于二维波达方向估计的声速测量方法，其包括如下步骤：

步骤一：确定水平均匀线阵和竖直均匀线阵的接收信号模型；

步骤二：计算水平均匀线阵和竖直均匀线阵的旋转算子；