[发明专利]基于可调夹角均匀线阵的水下波达方向估计方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于可调夹角均匀线阵的水下波达方向估计方法及装置，本发明采用两个夹角可以调节的均匀线阵，通过两个阵列夹角与波达方向角之间的关系消去了声速这个变量，使得最后的运算结果与声速无关，从而提高了估计精度，同时由于两线阵夹角可变，通过取不同值进行多次测量，可以更好的消除误差。

主权项

1.基于可调夹角均匀线阵的水下波达方向估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立夹角可调均匀线阵模型；在水中放置两个夹角为αn的均匀线阵，一个水平方向的均匀线阵和一个倾斜的均匀线阵，分别设为x轴和y轴，两个夹角可调节的均匀线阵都有M个阵元且阵元之间距离为d；K个窄带目标声源分别为S1,S2,…,SK，中心频率为f；声波入射方向与水平均匀线阵正轴方向的夹角为β,β∈(0,π)；步骤二：建立两均匀线阵的信号接收模型；当线阵夹角为αn时，K个窄带目标声源对应于水平线阵的方向角分别为θnx1,θnx2,...,θnxK，对应于倾斜线阵的方向角分别为θny1,θny2,...,θnyK；以第一个阵元为参考点，则第一个阵元在t时刻接收的信号为： x 1 ( t ) = Σ i = 1 K s i ( t ) + n 1 ( t ) ]]>其中si(t)表示第i个源信号，n1(t)表示第一个阵元上的噪声；接收信号满足窄带条件，即当信号延迟远小于带宽倒数时，延迟作用相当于使基带信号产生一个相移，那么第m个阵元在同一时刻接收到的信号为： x m ( t ) = Σ i = 1 K s i ( t ) e - j ( m - 1 ) 2 π λ i dsinθ n x i + n m ( t ) , m = 1 , 2 , ... , M ]]>其中λi表示第i个目标源反射回来的声波波长，nm(t)表示第m个阵元上的噪声；将各阵元的接收信号排列成列向量形式，则整个水平线阵接收的信号可用以下矢量式子表示：X(t)＝AS(t)+N(t) (1)其中，为M×K的导向矢量矩阵，X(t)＝[x1(t),x2(t),…,xM(t)]T为M×1的接收信号矩阵，S(t)＝[s1(t),s2(t),…,sK(t)]T为K×1的源信号矩阵，N(t)＝[n1(t),n2(t),…,nM(t)]T为M×1的噪声矩阵；同理可得出倾斜均匀线阵的信号接收模型；步骤三：建立均匀线阵子阵列模型，推导旋转算子Φx和Φy表达式；将水平线阵中的M个阵元分为两个平移矢量为d的子阵列Zhx和Zhy；子阵列Zhx由水平阵列的第一到第M-1个阵元组成，则有：xh1(t)＝x1(t),xh2(t)＝x2(t),…,xh(M-1)(t)＝xM-1(t)其中，xh1(t),xh2(t),…,xh(M-1)(t)分别是子阵列Zhx上第一个阵元到第M-1个阵元接收到的信号；子阵列Zhy由水平阵列的第二到第M个阵元组成，则有：yh1(t)＝x2(t),yh2(t)＝x3(t),…,yh(M-1)(t)＝xM(t)其中，yh1(t),yh2(t),…,yh(M-1)(t)分别是子阵列Zhy上第一个阵元到第M-1个阵元接收到的信号；那么两个子阵列中第m个阵元的接收信号分别为： x h m ( t ) = Σ i = 1 K s i ( t ) a m ( θ i ) + n h x m ( t ) , m = 1 , 2 , ... , M ]]> y h m ( t ) = Σ i = 1 K s i ( t ) e j 2 π d λ i sinθ n x i a m ( θ i ) + n h y m ( t ) , m = 1 , 2 , ... , M ]]>其中nhxm(t)和nhym(t)分别为子阵Zhx和Zhy上第m个阵元的加性噪声，将上式写成矢量形式：Xh(t)＝AS(t)+Nhx(t)Yh(t)＝AΦxS(t)+Nhy(t)其中矩阵Φx为K×K的对角矩阵，它是把子阵Zhx和Zhy的输出联系起来的酉阵，也称旋转算子，其对角元素包含了K个信号的波前在任意一个阵元偶之间的相位延迟信息，表示为： Φ x = d i a g { e j 2 π d λ 1 sinθ n x 1 , e j 2 π d λ 2 sinθ n x 2 , ... , e j 2 π d λ K sinθ n x k } - - - ( 2 ) ]]>根据以上步骤，同理可以将倾斜均匀线阵分为两个子阵列Zvx和Zvy，得到接收信号Xv(t)和Yv(t)，从而得出旋转算子为： Φ y = d i a g { e j 2 π d λ 1 sinθ n y 1 , e j 2 π d λ 2 sinθ n y 2 , ... , e j 2 π d λ K sinθ n y k } - - - ( 3 ) ]]>步骤四：建立旋转算子Φx、Φy与θnxi、θnyi之间的关系；步骤五：建立声波信号从不同区域入射时两个方向角之间的关系；步骤六：对矩阵Φx和矩阵Φy上的对角元素进行配对；步骤七：根据配对结果求出θnxi的大小。