[发明专利]水下自主航行器的四元接收稀疏阵型及接收信号方法

说明书

本发明涉及一种水下自主航行器的四元接收稀疏阵型及接收信号方法，包括四个水听器Psubgt;1/subgt;、Psubgt;2/subgt;、Psubgt;3/subgt;和Psubgt;4/subgt;；其特征在于：Psubgt;1/subgt;为原点，Psubgt;2/subgt;与Psubgt;1/subgt;位于同一直线且Psubgt;2/subgt;于航行器的航行方向，Psubgt;1/subgt;、Psubgt;3/subgt;和Psubgt;4/subgt;位于同一直线上且与航行方向垂直；其中：Psubgt;1/subgt;与Psubgt;2/subgt;阵元之间的间距与Psubgt;1/subgt;与Psubgt;3/subgt;阵元之间的间距相等，且满足条件d≤λ/2；Psubgt;1/subgt;与Psubgt;4/subgt;阵元之间的间距d≥λ/2；所述λ为发射声信号的波长。本发明的有益效果是：四元稀疏阵在阵元数有限的情况下，结合相应的DOA估计算法实现空间波达方向估计，没有提升算法复杂度，反而提高了方向的估计精度，并且阵型小巧轻便，易于实现，可以搭载在水下自主航行器上工作。

技术领域

本发明属于下自主航行器水声定位系统技术领域，涉及一种水下自主航行器的四元接收稀疏阵型及接收信号方法，具体涉及一种应用于运动的水下自主航行器水声定位系统的四元接收稀疏阵型的设计，及方位角和俯仰角的估计方法。

背景技术

水下自主航行器(AUV)无论在民用还是军事方面都存在广泛的应用，其在海洋探索、科技教育等方面具有很多潜在价值，在海洋开发日益重要的现在，越来越得到各个国家的重视。将水声定位系统搭载在AUV上，能够完成对水下目标的定向和定位，从而实现自主导航、目标探测、搜寻等功能。相比于其他载体，声波在水介质中传播时衰减更慢、传播距离更远，因此以声波作为信息载体的水声定位系统成为主要选择，能完成对目标的探测和定位。搭载在AUV上的被动水声定位系统通常由接收基阵、信号调理模块、信号采集模块以及信号处理模块组成，其中接收基阵接收信号，信号调理模块完成对接收信号放大、滤波等预处理，信号采集模块完成对信号的空间采样，信号处理模块进行信号检测以及声源目标定位。对于运动的水下自主航行器，由于受航行器自身及运动状态的限制，其DOA定向系统具有以下三个特点：(1)可携带的阵元个数有限；(2)对接收信号处理的实时性要求高；(3)需要完成二维的空间波达方向估计。对于接收基阵，阵元个数、阵列孔径、阵元布放方式等都会对DOA定向精度产生影响，在阵元个数非常有限的情况下，布阵方式对实现二维定向以及获得更好的定向精度就显得尤为重要。此外随着阵列孔径的增加，DOA定向精度也会获得相应的提高，因此可以通过增加阵元间距获得大的基阵孔径，但在定向系统的角度观测范围内，当阵元间距大于某临界值时会出现方位模糊问题。金磊磊等在“金磊磊,马艳.任意四元阵的定位盲区讨论及误差影响[J].探测与控制学报,2015,37(02):90-94+104.”中探讨了四元阵间距对模糊区域的影响，但文中采用的阵元间距仍是均匀的，对阵列排布有一定的限制。韩佳辉等在“韩佳辉,毕大平,陈璐.基于矢量修正的稀疏阵列测向解模糊方法[J].探测与控制学报,2018,40(01):94-99+104.”中提出了一种应用于稀疏阵列解模糊的方法，是在原稀疏阵列的特定位置添加一个新的阵元，对原阵列的导向矢量进行修正来达到解模糊的目的，但是在阵元数有限的情况下不适用。因此如何利用有限阵元稀疏阵列提高定向精度并解决方位模糊的问题是研究的重点。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种水下自主航行器的四元接收稀疏阵型及接收信号方法，以运动的水下自主航行器为工作平台，克服利用个数极其有限的水听器实现信号波达方向二维估计的问题。

技术方案