本發(fā)明屬于水下聲矢量陣校正領(lǐng)域，具體涉及一種20-1000hz低頻范圍內(nèi)超指向性多極子矢量陣的校正的低頻超指向性多極子矢量陣的有界空間校正方法。

背景技術(shù)：

在低頻甚低頻工作段，傳統(tǒng)聲吶設(shè)計(jì)的瑞利限嚴(yán)重制約了水下聲基陣的應(yīng)用及其方位估計(jì)性能。而超指向性基陣研究工作的突破為本問題提供了解決思路。近幾年，基于小孔徑的超指向性基陣波束形成方法成為研究熱點(diǎn)，大量的設(shè)計(jì)分析及計(jì)算機(jī)仿真表明了本類型基陣的優(yōu)勢(shì)，但目前只有有限的成品系統(tǒng)被應(yīng)用于實(shí)際工作中，其主要原因之一便是本類型基陣較強(qiáng)的敏感性。

在利用基陣進(jìn)行方位估計(jì)時(shí)，需要已知基陣的陣列流形。理論上說，陣列流形在設(shè)計(jì)時(shí)便已給出，但實(shí)際中傳感器靈敏度誤差、相位不一致、陣元間耦合等因素都會(huì)導(dǎo)致二者之間的差異?，F(xiàn)有的大量研究及發(fā)明工作都對(duì)這些因素進(jìn)行了補(bǔ)償校正，但都只是針對(duì)常規(guī)基陣。超指向性基陣的校正工作更為復(fù)雜，由于超指向性基陣的基元之間排列緊密，因此容易引起互散射等效應(yīng)，而互散射通常與頻率有關(guān)，而且安裝誤差等會(huì)影響基陣指向性，這些都難以建模并消除。水聲領(lǐng)域超指向性基陣的校正工作更為缺乏。由于實(shí)際工作場地的原因，能在水池環(huán)境進(jìn)行校正的頻率被限定的非常嚴(yán)格，低頻校正難度大大增加；由于超指向性基陣高幅相誤差靈敏度等因素的存在，必須考慮安裝誤差及傳感器后續(xù)電路不完全一致等系統(tǒng)誤差，使得超指向性基陣整體校正迫在眉睫，而其基陣尺寸對(duì)于校正空間的不可忽略性使得問題更為復(fù)雜。綜合以上因素，建立超指向性矢量多極子陣的有限空間校正模型及其關(guān)鍵技術(shù)突破是超指向性基陣應(yīng)用中必須解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)水下有界空間的影響，提供一種操作簡單、方便實(shí)用的低頻超指向性多極子矢量陣的有界空間校正方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

(1)建立超指向性多極子矢量陣包括0號(hào)-4號(hào)陣元，構(gòu)成一個(gè)十字型，十字原點(diǎn)處為0號(hào)陣元，1號(hào)～4號(hào)陣元與0號(hào)陣元間距d相等，且陣元間距d與波數(shù)k之間滿足kd<1；聲源的主軸方向?qū)?zhǔn)超指向性多極子矢量陣的正橫方向；

(2)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生cw脈沖信號(hào)，經(jīng)功率放大器加載到聲源上形成測(cè)試聲場；

(3)在0-360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)超指向性多極子矢量陣，采集與存儲(chǔ)0號(hào)～4號(hào)基元的接收信號(hào)，每個(gè)陣元包括一路聲壓信號(hào)和兩路振速通道信號(hào)；

(4)將工作環(huán)境設(shè)置參數(shù)代入到球面波聲場中的矢量陣列模型中，計(jì)算理論陣列流形；

聲源距基陣幾何中心距離為r，任一初始位置位于與x正軸夾角θ0位置的基元，在任意聲源入射方向θ時(shí)，距聲源位置為

其矢量通道指向性圖為

有界空間中的陣列流形矢量為：

其中，表示第i號(hào)基元的x通道指向性；表示第i號(hào)基元的y通道指向性，i＝0,1,…,4；

(5)對(duì)存儲(chǔ)的接收信號(hào)進(jìn)行分析，將結(jié)果與理論模型進(jìn)行對(duì)比：對(duì)于每個(gè)通道，畫出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的幅度隨聲源入射角度變化圖，即指向性圖，并與理論指向性圖對(duì)比；畫出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相位隨聲源入射角度變化圖，并與理論情況對(duì)比；若實(shí)測(cè)情況與本發(fā)明中的理論計(jì)算結(jié)果相符，則表明陣列誤差與方位無關(guān)，陣列僅存在通道幅相誤差；

(6)建立基陣陣列流形校正的加權(quán)最小二乘算法；根據(jù)所建模型及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，設(shè)定校正矩陣為對(duì)角陣

和分別代表第n個(gè)測(cè)量角度上的實(shí)測(cè)陣列流形和理論陣列流形，an中的元素表示對(duì)應(yīng)位置上通道的幅相不一致量；而基陣的整體校正算法為：

或

利用參數(shù)αn對(duì)數(shù)據(jù)可信度進(jìn)行調(diào)整；加權(quán)最小二乘算法的最優(yōu)解為

選擇數(shù)據(jù)均方幅值作為加權(quán)值：

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明考慮了在有界空間中小尺度基陣校準(zhǔn)的主要矛盾，對(duì)于有界空間的影響進(jìn)行了建模并去除。本發(fā)明克服了目前小尺度基陣的校正需要大尺度自由場空間的難題，提供一種在有界空間水域、可操作性強(qiáng)、方便實(shí)用的校準(zhǔn)方法，可廣泛應(yīng)用于低頻超指向性矢量陣的校準(zhǔn)，因此本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于低頻水聲計(jì)量各領(lǐng)域。

附圖說明

圖1基陣校正模型；

圖2發(fā)明內(nèi)容程序流程圖；

圖31x通道幅度特性；

圖41x通道相位特性；

圖5(a)為水池試驗(yàn)所得校正因子實(shí)部；

圖5(b)為水池試驗(yàn)所得校正因子虛部；

圖6(a)為cos2θ基陣高階指向性；

圖6(b)為sin2θ基陣高階指向性；

圖6(c)為cos3θ基陣高階指向性；

圖6(d)為sin3θ基陣高階指向性；

圖7(a)cos2θ校正后基陣高階指向性；

圖7(b)sin2θ校正后基陣高階指向性；

圖7(c)cos3θ校正后基陣高階指向性；

圖7(d)sin3θ校正后基陣高階指向性。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明做更詳細(xì)地描述：

(1)超指向性多極子矢量陣包括0號(hào)～4號(hào)陣元，它們構(gòu)成一個(gè)十字型，十字原點(diǎn)處為0號(hào)陣元，1號(hào)～4號(hào)陣元與0號(hào)陣元間距d相等，且陣元間距d與波數(shù)k之間滿足kd<<1。將基陣通過轉(zhuǎn)接法蘭安裝在測(cè)量水池的行車上，放入水池深度約1/2處，其中，0號(hào)基元位于陣中心，且吊放在機(jī)械旋轉(zhuǎn)裝置的正下方。同時(shí)將測(cè)量用輔助聲源吊放到同一深度，聲源距基陣幾何中心距離為r滿足聲學(xué)遠(yuǎn)場條件，聲源的主軸方向?qū)?zhǔn)超指向性多極子矢量陣的正橫方向。

(2)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)射器產(chǎn)生需要頻率的cw脈沖信號(hào)，經(jīng)功率放大器加載到聲源輸入端，形成測(cè)試聲場。

(3)在試驗(yàn)過程中，保持聲源不動(dòng)，利用機(jī)械裝置在0°～360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)基陣。利用信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，存儲(chǔ)，其中信號(hào)包括0號(hào)～4號(hào)基元的接收信號(hào)，每個(gè)陣元包括一路聲壓信號(hào)和兩路振速通道信號(hào)。

(4)根據(jù)工作環(huán)境，建立球面波聲場中的矢量陣列接收模型。由于水池空間有限，且在低頻工作段，為使直達(dá)波信號(hào)盡量長，并盡量提高信噪比，基陣中心與發(fā)射器間距離有限，且與基陣孔徑可比擬，因此必須考慮聲源按照球面波方式傳播。如圖1中所示，設(shè)聲源在紅色圓點(diǎn)處，聲源距基陣幾何中心距離為r。根據(jù)幾何關(guān)系，任一初始位置位于與x正軸夾角θ0位置(逆時(shí)針為正)的基元，在聲源旋轉(zhuǎn)一周的過程中，當(dāng)聲源從任意方向θ入射時(shí)，它距聲源位置為

其中幅度隨傳播距離衰減，且與距離減成反比關(guān)系，即對(duì)于聲壓通道，其信號(hào)可以表示為

而對(duì)于各傳感器的矢量通道而言，由于其投影軸的關(guān)系，聲源相對(duì)各基元坐標(biāo)軸的入射角度與原點(diǎn)處基元并不相同，因此各基元矢量通道的指向性圖需要考慮圖1中θ'的變化情況。根據(jù)幾何關(guān)系，任一初始位置位于與x正軸夾角θ0位置(逆時(shí)針為正)的基元矢量通道的指向性可以表示為

由此，可建立球面波聲場中的矢量陣列流形矢量：

盡管此矢量是在五元陣的情形下得出，但對(duì)于其他陣型本分析方法同樣適用。

(5)對(duì)采集到的不同角度入射的15路信號(hào)進(jìn)行后置處理：將各通道接收的所有角度上的信號(hào)進(jìn)行截取，獲得含有直達(dá)波的有效信號(hào)段，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行fft處理。保存所有通道所有角度上fft處理后的頻域信號(hào)，作為后續(xù)分析的主要目標(biāo)。

對(duì)于特定通道，分析接收信號(hào)隨聲源入射角度變化情況。此時(shí)，取對(duì)應(yīng)位置上所保存數(shù)據(jù)的幅度值，將幅度值隨角度的變化情況在極坐標(biāo)圖中畫出，并與建模情況進(jìn)行對(duì)比，1x通道的幅度對(duì)比情況如圖2所示。取對(duì)應(yīng)位置上所保存數(shù)據(jù)的相位值，將相位隨角度的變化情況在直角坐標(biāo)系中畫出，并與建模情況進(jìn)行對(duì)比，1x通道相位的對(duì)比情況如圖3所示。其它通道的對(duì)比情況可同理畫出。分析對(duì)比結(jié)果，在結(jié)果基本一致的前提下，認(rèn)為實(shí)測(cè)情況符合所建模型，可進(jìn)行后續(xù)分析。

通過相位隨角度的變化情況可以看出，基元的實(shí)測(cè)相位變化規(guī)律與自身站位造成的相位(即理論相位)變化規(guī)律一致，僅相差一個(gè)常數(shù)，此常數(shù)即是表明基元間的初始相位不一致的量。由以上分析可知，陣列誤差與方位基本無關(guān)，陣列僅存在通道幅相誤差。因此校正矩陣可設(shè)定為對(duì)角陣。

(6)對(duì)于特定入射角度(第n個(gè)測(cè)量角度)，取對(duì)應(yīng)位置上的數(shù)據(jù)。選取工作頻點(diǎn)處的數(shù)值，作為第n個(gè)測(cè)量角度上的實(shí)測(cè)陣列流形而理論陣列流形由實(shí)際參數(shù)代入到下式中即可獲得。

最后對(duì)公式進(jìn)行求解

選擇數(shù)據(jù)均方幅值作為加權(quán)值：

由此獲得校正因子，獲得的校準(zhǔn)因子矩陣為復(fù)對(duì)角陣，其實(shí)部和虛部如圖4(a)和4(b)所示。從校正因子可以看出，x與y通道基本保持一致，幅相誤差很小，而它們與p通道之間差別則較大，且1基元的p通道與其它基元p之間反相，這可以從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波形中得到驗(yàn)證。通過校正因子的質(zhì)量可以看出，本基陣中各基元一致性較好，無須校正即可實(shí)現(xiàn)較理想的二階指向性圖。將校準(zhǔn)前基陣的高階指向性圖(圖(5))與校準(zhǔn)后基陣的高階指向性圖(圖(6))對(duì)比，可見二階指向性得到了優(yōu)化，三階指向性得到了改善，尤其是指向性的凹點(diǎn)部分改善明顯。