（水声工程专业论文）水听器拖曳阵阵形估计方法研究.pdf

阑防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t a st o w e dh y d r o p h o n ea r r a yt e c h n i q u e sh a v ea c h i e v e dad e v e l o p m e n tt h a th a s l o n g e ra n dm u l t i l i n ea r r a y s ，s h a p ee s t i m a t i o ni nr e a lt i m eh a sb e e nak e yt or a i s et h e d e t e c t i v ep e r f o r m a n c ea n dr e s o l u t i o no ft h et o w e da r r a y f i r s t l y , v a r i o u sm e t h o d so fa r r a ys h a p ee s t i m a t i o nh a v eb e e nd i s c u s s e da n d c l a s s i f i e d 。a si ti sn o t e a s yt ol o c a t et h ea c o u 始cs o u r c e ，t h i sp a p e rp r o v i d e sa n e i g e n v e e t o rm e t h o db a s e dh e a d i n gs e n s o r s ，w h i c hc o m b i n e st h ea c o u s t i cm e t h o da n d n o n a c o u s t i cm e t h o d 。t h i sm e t h o dc a ne s t i m a t et h et o w e da r r a ys h a p eu s i n gs o u r c ei n u n k n o w nl o c a t i o n t h e n ，t h i sp a p e rc o m p a r e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ee i g e n v e c t o r m e t h o db a s e do nh e a d i n gs e n s o r si nn a r r o w b a n ds o u r c ea n d 诹d e b 黼ds o u r c e 。a n dn e x t , s o m em e t h o d st or e d u c et h ee r r o rh a v eb e e nd i s c u s s e d ，w h i c hc a u s e db ys n r ， s e n s i t i v i t yo fh e a d i n gs e n s o ra n db a dc h a n n e l 。a tl a s t ，n u m e r i c a le x p e r i m e n ts h o w st h a t t h ee i g e n v e c t o rm e t h o db a s e do nh e a d i n gs e n s o r si si ne f f i c i e n c y , a n dt e s tw i t hd a t a f r o ml a k et r i a l sp r o v e st h a tt h i sm e t h o di sv a l u a b l et or e a ls h a p ee s t i m a t i o n 。 k e yw o r d s ：t o w e da r r a y , s h a p ee s t i m a t i o n ，e i g e n v e c t o r 国防科学技术人学研究生院学位论文 图表目录 图1 1拖曳阵的结构示意图1 图1 2h a y e s 的声纳系统，1 9 1 7 。2 图1 - 3 水面舰艇拖曳阵发展历程2 图1 4 潜艇拖曳阵发展历程3 图1 5 商用拖曳阵发展历程4 图2 1双源时延阵形估计算法流程9 图2 2 特征矢量阵形估计算法流程1 2 图2 3 水平面内磁场传感器感应到的磁场与水平强度的关系1 3 图2 4 航向传感器产品1 3 图2 5 插值拟合阵形估计算法流程l5 图2 6 流体力学阵形估计算法流程1 8 图2 7i o 公司阵形校正网络发展历程1 9 图2 8“声鸟”产品图1 9 图2 9w e s t e r n g e c o 公司的q m a r i n e 系统2 0 图3 1 基于航向传感器的特征矢量阵形估计方法原理示意图2 3 图3 2 数据重叠分段示意图2 6 图3 3宽带信号特征矢量方法阵形估计流程2 8 图4 1阵元接收到的单频信号时域波形及其频谱31 图4 2 坐标变换前的一段数据阵形估计结果3 2 图4 3坐标变换之后的一段数据阵形估计结果3 2 图4 4 一段数据估计阵形的c b f 波束图3 3 图4 51 0 次平均之后的估计阵形一3 3 图4 6阵形校正前各个阵元的估计偏差3 4 图4 7阵形校正后各个阵元的估计偏差3 4 图4 8 阵列估计误差( m s e ) 与信噪比( s n r ) 的关系3 5 图4 91 0 次平均后估计阵形的c b f 波束图3 6 图4 1 01 0 次平均后估计阵形的m v d r 波束图3 6 图4 1 1航向传感器测量值- 3 7 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4 1 2 估计阵形的m v d r 瀑布图3 8 图4 1 3 每次估计阵形的均方根误差( m s e ) 3 8 图4 1 4 宽带信号及其频谱3 9 图4 1 5 信号带宽内每个频点的估计阵形4 0 图4 1 6 整个频带内的估计阵形4 0 图4 1 7 宽带阵形估计中各个阵元的估计偏差一4 1 图4 1 8 阵列估计误差与信噪比的关系4 1 图4 1 9 宽带估计阵形的c b f 波束图4 2 图4 2 0 估计阵形的m v d r 波束图4 2 图4 2 1宽带估计阵形的m v d r 瀑布图4 3 图4 2 2 每次估计阵形的阵列估计误差4 3 图4 2 3 航向传感器精度误差对阵形的影响4 5 图4 2 4 航向传感器精度误差带来的阵元估计偏差4 5 图4 2 5 航向传感器精度误差引起的方位估计误差4 6 图4 2 6 有坏通道时的阵形估计结果4 7 图4 2 7 去掉坏通道之后的阵形估计结果4 7 图5 1 经过滤波之后的8 0 0 h z 单频脉冲信号及其频谱4 9 图5 2 单频声源阵形估计结果5 0 图5 3 估计阵形的c b f 波束图5 0 图5 4 经过滤波之后的5 0 0 h z 1 0 0 0 h z 线性调频信号及其频谱5 l 图5 5 所有窄带阵形估计结果5 l 图5 6 宽带阵形估计结果5 2 图5 7 宽带估计阵形的c b f 波束图5 2 第1 v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特另t l ；h i ：l 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期岬年“月7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国防 科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许 论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：盔匝墨堑皇睦哇型焦过左法婴塞 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：沙，7 年11 月丫日 日期：叫年，、月乡日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 拖曳阵概述 住人们迄今所熟知的各利咱邑量形式中，以声波在水中的传播性能为最好。人 们直利用声波对水下或水面目标进行定位、跟踪和识别，具有这种功能的设备 称为声纳。目前声纳系统丰要分为水听器岸基阵声纳和水听器拖曳线列阵声纳。 水听器拖曳线列阵声纳简称拖曳阵，是拖曳在舰船尾部一定距离的声探测系统， 通过接收航行日标自身的辐射噪声或反射的主动信号，米检测目标的有无并以i 计 甘标的有关参数。它具有探测能力强，探测频率低，水文适应能力强和无卣区的 特点 2 l 。一般拖曳阵的结构如图1 1 。它的湿端由拖缆( 包括重缆和轻缆) 、阵列接 收模块和减震模块组成，干端一般由信号采集处理系统和显示系统构成【3 j 。 图1 1拖曳阵的结构- j i 恿例 拖曳阵的历史可以追溯到第一次世界大战 4 - 6 。在一战期间，美国海军实验局 的h c h a y e s 博士发明了一套兼有拖曳阵和舷侧阵的卢纳系统，并在实验中用它 检测到美军的潜艇。该声纳系统由两条1 2 基元的拖曳阵和两条1 2 基兀的舷侧阵 组成，如图1 2 。在随后的9 0 年里，尤其是2 0 世纪6 0 年代以后，水听器拖曳阵 得到突飞猛进的发展，在军事和商业领域都得到广泛地应用，军事卜的拖曳阵又 可以按拖曳载体的：同分为水面舰艇拖曳阵和潜艇拖曳阵。 国防科学技术大学研究生院学位论文 d r h a r v e yc h a y e s u sn a v ye x p e r i m e n t a ls t a t i o n 1 8 7 8 1 9 w 髓- 1 9 1 7 - 1 9 1 8 心聊l o n d o n ，c t 意鬣三三三_ 0 丽 互= = = ：= ：= = = 盈_ _ 麓篇毒黧搿7 ” u s nj o u 张气 s u 咖m t n ed e 4 0 蛹o n g u mr u b b 嘟h 国 r a n g e l ot a r g e t e r 鞠n i n a t eo w ns h i pn o i s e n e w a l l y 融唰1 6 i f 壤挣 蝴叭t a r g e t d q s c r t m l n a t t o n c a r b o nb u t t o nm l c 翻舯 h u l l 麓o u o t e d a r r a y 图1 2h a y e s 的声纳系统，1 9 1 7 h a y e s 发明的拖曳阵可以说是最早的水面舰艇拖曳阵。冷战开始后，为了满足 美围海军战略侦察的需求，美国海军研究办公室( o f f i c eo f n a v a lr e s e a r c h ，o n r ) 在19 6 4 19 6 5 年进行了百慕大( b e r m u d a ) 拖曳阵试验，并于2 0 世纪7 0 年代应用 a n s q r 一1 4 年1 1 1 5 型拖曳阵声纳对地中海区域进行侦察。随后，美国海军又要求研 制护卫拖曳阵声纳系统( e s c o r tt o w e da r r a ys o n a rs y s t e m ，e t a s s ) 军0 a n s q r 一1 9 型声纳系统，以提升对战术被动潜艇的侦察能力。2 0 世纪9 0 年代，a p l 实验窒使用 双缆拖曳阵解决了拖曳阵的左右舷模糊( 单缆拖曳阵无法判断目标在舰船的左侧还 是右侧) 问题。进入本世纪，又出现了兼有主被动探测能力的多功能拖曳阵 ( m u l t i f u n c t i o nt o w e da r r a y ，m f t a ) 和消除左右舷模糊的心型拖曳阵。水面舰艇 拖曳阵的发展历程如图1 3 。 图1 3水面舰艇拖曳阵发展历程 潜艇拖曳阵始于2 0 世纪5 0 年代，c h e s a p e a k e 仪器公百j ( c h e s a p e a k ei n s t r u m e n t c o r p o r a t i o n ，c i c ) 在u s s a l a c o r e 舰桥上安装的拖线阵揭开了潜用拖曳线列阵声纳应 用的序幕；其后，为了解决潜艇前视声纳在舰尾存在盲区的1 9 题，贝尔实验窀( b e l l 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 t e l e p h o n el a b o r a t o r i e s ，b t l ) $ 1 c i c 都提出给潜艇安装拖曳阵的方案，并且均取 得成功，b t l 由于成功解决了拖曳阵在潜艇中释放和收回的问题，最终完成了 a n s q r 一1 5 声纳的牛产。在2 0 世纪6 0 年代至r j 7 0 年代早期，h u g e s 飞, 机公( h u g e s a i r c r a f tc o m p a n y ，h a c ) 开发了用于攻击型潜艇的t u b a 署n t b 一1 6 拖曳阵声纳。针 对前苏联的安静型潜艇，具有多阵元长距离的t b 一2 3 和t b 一2 9 型拖曳阵应运而生， 其中，t b 一2 9 是光纤水听器阵列，具有更好的探测能力。t b 2 9 a 型潜艇拖曳阵是 利用现有的民用技术对原来的t b 一2 9 拖曳阵进行改进，它将被用于改装“洛杉矶” 级和“海狼”级潜艇，并将安装到“弗吉尼亚”级潜艇上。潜艇拖曳阵的发展历 程如图1 4 。 1 9 1 71 9 6 01 9 7 01 9 8 0 图1 4 潜艇拖曳阵发展历程 商用拖曳阵的研究一直受高探测速率和低成本探测的应用需求所推动。2 0 世纪 6 0 年代末，h u m b l e 石油公司( h u m b l eo i lc o m p a n y ，h o c ) 资助c i c 研究在拖曳中 可以连续采集数据的阵列。同时，h o c 自身致力于采用气枪声源取代炸药声源的 研究。结果气枪声源和能够连续采集的拖曳阵都取得成功，并很快占领了市场。 随着石油公司对探测速度的要求越来越高，多缆拖曳阵应运而生。最新的多缆拖 曳阵已经达到1 6 条，这对处理设备和拖船都提出了特殊的要求。商用拖曳阵的发 展历程如图1 5 。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 9 1 7 1 9 6 01 9 7 01 9 8 11 9 9 0 图1 5两用拖曳阵发展历程 在我国，拖曳阵已有3 0 多年的研究设计和使用维修的历史。7 0 年代初，白先 由石油地质部门引进法国民用拖曳阵，随后又引进了美国产品。8 0 年代初，我国 开始收集消化国外军用拖曳阵的有关资料，“七五”期间正式立项研究拖曳阵。 经过多年努力，相关单位在“湿端”关键部件制作和“下端”处理方面取得了巨 大突破，进行了多次拖曳阵的湖上和海上试验。在岸基阵光纤水听器技术【7 】罐本成 熟的基础卜，相关单位正在进行光纤水听器拖曳阵技术的基础研究。 纵观拖曳阵的发展历史，我们可以看出拖曳阵将向着多阵元、长距离、多维 化和光纤化的趋势发展。 1 2 拖曳阵阵形估计研究现状 水听器阵列流形是水听器阵列的一个重要参数，利用水听器阵列接收信号作 波束形成等声纳信号处理时，一般都要求阵形已知。然而水听器阵列布放到水中 之后，其阵形不好控制，一般认为当阵形畸变超过a 1 0 ( 旯接收信号波长) 时， 就应在波束形成时对阵形畸变进行补偿，否则会对拖曳线列阵声呐性能产生重大 影响【6 j 。现有的水听器阵形估计方法可以按照岸基阵和拖曳阵分为两大类。水听器 岸基阵一般布放在岸边海底的泥沙中，阵列一经布放之后阵形就随之固定，所以 有较充裕的时间对阵形进行校准，并且阵形进行4 次校正之后在短时间内无需再 做调整。岸基阵阵形估计方法较多，其中较为成熟的是基j 二时延仙计的双源阵形 估计方法_ ，该方法已经在海试应用中取得成功。水听器拖曳阵的阵列流形不像 第4 页 豳防科学技术大学研究生院学位论文 岸基阵那样一直保持稳定的状态，而是在拖曳过程中不停变化，要对其进行实时 估计才有意义，因丽难度较大。现有的拖曳阵阵形估计方法主要可以分为两类： 一类是声学计算的方法，它是利用水听器阵列的接收信号来反推出阵列流形；另 一类是非声辅助测量的方法，主要是在水听器拖曳阵上安装若干个深度或航向传 感器，利用这些传感器的测量值来估计出阵形。 国外由于水听器拖曳降发展时闻长，所以阵形估计起步较早，方法也比较多。 声学计算的方法主要有锐度提取法( s h a r p n e s sm e t h o d ) n - t 3 和特征矢量法 ( e i g c n v c c t o rm e t h o d ) 1 3 - 1 9 。19 7 8 年，h 。b u c k e r t “】提出利用锐度提取的方法估计 阵形，它是用穷举的方式扫描每个阵元坐标，然后利用这些坐标去做波束形成， 在耳标方向上功率最大时对应阵形就认为是正确的降形。由于该方法在阵元较多 的情况下搜索算法过于复杂，随后很少有人研究，直至1 j 1 9 9 0 年，b gf e r g u s o n 心1 叉将该方法应用于阵形未知豹鸯适应波束形成，1 9 9 2 年，匏又发表文章【1 3 l 比较了 锐度提取法和特征矢量法，最后指出特征矢量法性能较好。特征矢量法是利用阵 列协方差矩阵的大特 芷值对应豹特征矢量与阵列流形矢量张成相同的空闻的性质 来估计阵形。d a g r a y 等人【1 4 】在1 9 8 9 年首先提出利用特征矢量方法来估计水听器 阵捌的阵元位置，j ，毒。s m i t h t 搭1 硝等入对该方法进行了较详缀的研究，提出了分子 阵的特征矢量方法【1 5 】【1 8 】，并分析了该方法的克拉美罗下界1 6 1 ，针对宽带声源，又 提出宽带信号特蔹矢量方法【溺。2 0 0 0 年，n i n gm a t l 9 】瘸第一个阵元和最后一个阵元 的连线为横坐标建立坐标系，提出种声源方位未知的特征矢量阵形估计方法。 除了这两种方法之井，a 。j w e i s s t 2 0 3 期d 。e 。w a h l 瑟1 3 都提出用最大似然傣计方法德 计阵形，d e w 抽1 用频率波数域数据进行最大似然估计，b qq u i n n t 2 2 】等人提 国焉隐藏马尔可夫模型( h i d d 鼹m a r k o vm o d e l ，珏m m 估计阵形。 非声辅助测量方法也主要有两种，流体力学法【2 3 a 0 1 和插值拟合法p 卜3 3 1 。流体 力学法将辅助传感器的测量值作蔻边界条件，通过求解拖缆的流体力学方程 ( p a i d o u s s i se q u a t i o n ) 来估计阵形。1 9 8 2 年，l e w i sm e i e r 2 3 基于r m k e n n e d y 对 流体力学方程的扰动模型解( p e r t u r b a t i o nm o d e l ) 来补偿阵形。19 9 2 年，e s 。v a n a a r t s e n 2 4 】进一步指出，如果阵列拖曳运动如果能满足低频、无重力影响和忽略加 速度等条件的话，那么就可以将其描述秀响应模型( r e s p o n s em o d e l ) 。在这种情 况下，阵列在位置s l 和时亥l j t l 的参数( 航向、斜度、深度) 就可以从上位置s 0 和 时刻t 0 的参数利用转移函数计算得出。19 9 3 年，d o u g l a sa g r a y t 2 5 】溺等人将流体力 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 学方程( p a i d o u s s i se q u a t i o n ) 在时间和空间离散化，然后利用k a l m a n 滤波器来描 述拖曳阵的运动传播过程。随后，n i k i t a sv n i k i t a k o s 2 7 】等人在1 9 9 8 年指出在稳定 拖曳条件下，当阵形的平衡状态有扰动时k a l m a n 滤波器方法存在缺陷，并提出一 种基于多模分割滤波器( m u l t i m o d e lp a r t i t i o n i n gf i l t e r ) 的自适应算法来估计阵形。 f e n gl u ，e v a n g e l o sm i l i o s 2 9 】等人同时从时域和频域求解流体力学方程，并用一个 注册程序来确定和补偿由拖速变化而引入的阵形失真，显著地提高了阵形估计的 精度和连续性。p e t rt i c h a v s k 多r f f f l k a i n a mt h o m a sw o n g 2 8 】f 3 0 1 用准贝叶斯统计模型 ( q u a s i b a y e s i a ns t a t i s t i c a lm o d e l s ) 对拖曳阵的阵形校正做了分析。插值拟合法是 用辅助传感器测量阵列上的多点状态，然后用样条插值( s p l i n ei n t e r p o l a t i o n ) 拟合 出阵形。1 9 9 2 年，b e h o w a r d 和j m s y c k 3 l 】提出一种基于四次样条近似的插值 方法来估计阵形，1 9 9 6 年，p f e l i s b e r t o 和s m j e s u s 3 2 】提出在一条阵列上安装一系 列的姿态传感器：罗盘、倾斜计、加速度计和压力计，然后用这些传感器的测量 值进行插值估计。2 0 0 4 年，h e e y o u n gp a r k 3 3 】等人又提出用迭代样条插值的方法来 提高插值估计的精度。此外，s t a r te d o s s o 3 4 】和m i c h a e lr i e d e l 还提出利用直达波和 海底反射波的线性反转来估计地震阵列的阵形。 国内由于对于拖曳阵的研究还处于起步阶段，所以对拖曳阵的阵形关注较少， 但还是有少量的相关研究。1 9 8 9 年，唐宗瑜f 35 】探讨了利用光致声源作为远距离的 声源来测量水面拖曳线列阵的形状和位置的可行性。于瀚【3 6 】提出用单源相关求时 延的方法对拖曳线列阵在水平面内的阵形进行估计。单秉彝【3 7 1 从阵列输出的时空 采样序列出发，估计阵列和波阵面之间的夹角，从而解算出阵列形状。1 9 9 9 年， 邓德衡【38 】等人用三维动力学模型来模拟拖缆系统的运动，并用有限差分数值方法对 拖曳线列阵阵形与姿态进行了数值计算。卓颉【3 9 】等人在2 0 0 6 年提出一种先盲捕获 信号，再用遗传算法校准阵形并估计目标方位的方法。焦君圣【删用一种改进的多 项式拟合法来解决阵列形变较大时的阵形估计问题。 1 3 课题研究的意义及内容 自从1 9 1 7 年h c h a y e s 发明第一套拖曳阵声纳系统以来【4 1 ，拖曳阵的发展已经 经历了9 0 年的时间。如今，拖曳阵在军事目标定向及海洋地层、石油勘探等商业 第6 页 圈防科学技术大学研究生院学位论文 领域都得到广泛地应用。其中，大多数应用都是基于阵列流形已知的前提，然而， 由于海洋环境的复杂多变，水听器阵列在拖曳过程中，海浪、涌流、拖船机动都 会改变阵列的形状，即阵列流形在拖曳过程中是不断变化的。常用的解决办法是 假设拖曳阵始终保持为一条直线阵，但是在军事安全和商业利益的双重推动下， 拖曳阵不断地向多基元、长距离、多维化的大规模方向发展，导致阵列在拖曳过 程中阵形越来越难控制，这种假设阵形不变的做法旱已不能满足实际应用需求。 阵形估计的问题网显突出。另外，高灵敏度水听器探头( 光纤水听器) 在阵列中 的广泛疲用，增强了拖曳阵对远距离弱信号的检测能力，m v d r 、m u s i c 等高分 辨率空间谱估计算法对阵列流形精确已知的要求，都使影响拖曳阵探测性能的瓶 颈转向7 阵形误差。如何实时有效的估计阵形将成为提高阵列探测性熊、促使拖 曳阵走向高精度、高分辨率应用方向的关键。经过多年努力，我国的水听器拖曳 降技术已经取得了较大突破，本课题的工作将对我国水听器拖曳阵走向实用化具 有重要的理论和实践意义。 本论文通过对比和总结前人的方法，提出一种声学计算和非声测量相结合豹拖 曳阵阵形估计方法。论文的主要内容如下： 第一章：概括地介绍了拖曳阵的发展历史及其发展趋势，对拖曳阵阵形 吉计方 法的国内外研究现状进行详细地阐述，最后介绍了课题研究的意义及论文的内容 结构。 第二章：对现有的阵形估计的主要方法进行系统的总结，给出各种方法的算法 流程：并对比分折各个算法的优缺点。 第三章：阐述基于航向传感器的特征矢量阵形估计方法的基本原理，分析了当 声源发射单频信号帮宽带信号时算法上的差异，并讨论了该方法的估计性能。 第四章：利用仿真数据对基于航向传感器的特征矢量阵形估计方法进行分析， 验证第三章静理论。 第五章：对实际湖试数据做半仿真分析，验证基于航向传感器的特征矢量阵形 估计方法在实际试验中的瘦用情况。 第六章：总结全文，对阵形估计的理论分析和仿真结果进行综合评价，指出仍 然存在的阍题，并提出下一步的工作展望。 第7 页 园防科学技术大学研究生院学位论文 第二章阵形估计方法原理 阵形估计方法的研究已经有半个多世纪的时间，提出的方法也很多，但总的 来说，可以分为两大类：声学计算方法和非声测量方法。本章希望对现有的阵形 估计方法的原理进行系统的总结，选择了前人研究较多的两种声学计算方法和鼹 种非声测量方法做详细的介绍，给出各种方法的算法流程，并对比各个算法的优 缺点。最后还介绍了海洋石油勘探中的拖曳阵阵形估计与校正技术及其相关产品。 2 1 。1 双源时延估计方法 2 王声学计算方法 双源时延估计方法【8 - l o ，3 嘲是在阵列的两个不圈方位分别布放声源，声源的方位 事先利用g p s 测定，利用来自这两个方位的声信号可以估计出水听器阵列中各个 阵元在这秀个方蠢上的樱对时延，然后由这些相对时延值就可以确定各个阵元的 相对位置，并得到阵列的形状。实际海试结果【5 】【6 1 表明，该方法对岸基阵的阵形估 计相当成功。其原理描述如下。 设水听器阵列中两个相邻阵元喝一，和的坐标分别为( t 粥一，) 和( 蕾，以) 。当 水听器阵列接收来自毋方淘的信号时，阵元编一，和蟛之间的声程差为 喀= 挑。c o s o + 锄s i n 0( 2 1 ) 其中缸= 鼍一奶= 髀- y i - l 秽是声波的传播方向与x 坐标轴正方向的夹角。 而声程羞磷又可以通过两个阵元接收信号的时延估计值乘以声速获得，郎 = t c ( 2 。2 ) 其中q 为两阵元接收信号的相对时延，c 为声速。因此，可以得到 她c o s o + 馘s i n0 = c ( 2 3 ) 当有两个声源时利用式( 2 3 ) 就可以建立关于相对坐标她，馘) 的方程组 _ _ - _ _ _ _ - _ _ - _ _ - - - l _ _ _ - - _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ - 一_ 第8 页 国防科学技术入学研究生院学位论文 犯4 ) 其中谚和皖分别为两个声源的方位角。如果b 一晓ck x ( k 为整数) ，则相邻阵元 的相对坐标( 缸，觚) 为 纰= 鼍紫觚= 鼍轷c 第i # 阵元的坐标( 置，m ) 为 i 薯= 峨， j = 2 咒= 锄 ，= 2 ( 2 。6 ) 这个方法的核心是时延估计，通常是对两路信号作相关来倍计时延。另外， 理论分析5 1 表明两个声源的方位嚷、幺不麓太接近，实际应用中一般将两个声源成 度布放。该方法的算法流程如图2 1 。 图2 ，l 双源时延阵形估计算法流程 第9 页 c c 龟 = = q 皖 g g 缈肼吣嘲 触解 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 1 2 特征矢量方法 特征矢量方法 1 3 - 1 9 1 是利用阵列协方差矩阵的大特征值对应的特征矢量与阵列 流形矢量张成相同的空间的性质来估计阵形。 假设有一阵元的等间距线阵，接收来自远场的p 个不相关的窄带信号， p 如 4 k 。= = “= 。与尸个大特征值对应的 特征矢量构成信号子空间e ，= e 。e ：e p 。由独立信号源下特征子空间的性 质4 1 】可知，e ，的列向量张成的子空间与阵列流形矩阵a 的列矢量张成的子空间相 同，即s p a n e le 2 e p = s p a n a ia 2 a p 。剩下的n 一尸个特征矢量构成 与小特征值蠢对应的噪声子空间e 。= e 川e p + ：e ，e 。与a 正交。当p = 1 ， 国防科学技术大学研究生院学位论文 i i i l l l l 即只有一个声源时，那么最大特征值对应的特征矢量e 。与导向矢量a l 张成相同的空 间，从而有相同的相位，根据式( 2 9 ) 可知： a r g ( e l ( f ) ) = 2 x f ( x i e o s o + y _ fs i n o ) c ，i = l ，2 ，n( 2 1 2 ) 相邻两个阵元间的相位差可表示为： 办( j 1 ) = 彩一办一i = a r g e i ( ) 卜a r g e l ( 歹一1 ) 】 ( 2 1 3 ) 令t 2 寺陋彰沪t ) 】，得如下方程： f 薯c o s 口+ 只s i n p = 嘭 ，嚣2 ( 2 1 4 ) 假定相邻阵元闻距为r ，虽保持不交，那么第i # 阵元的坐标可由上式求出【1 5 】： 薯= c o s 移窆哆+ s i n 移窆扩虿 ( 2 1 5 ) j = 2 j = 2 嚣：s i n 黟i 一s 秽杰扩虿 ( 2 。1 6 ) j = 2j = 2 该方法只需要一个声源就可以估计出阵形，但一般要求声源方位精确已知， 此外，它还基于三个假设：( 1 ) 第l 季誊阵元的坐标已知，( 2 ) 阵列形变不是缀大， ( 3 ) 相邻阵元间距已知且固定。在实际处理中，这三个假设都是比较容易满足的。 该方法的算法比较简单，需要的注意的是，阵列接收信号一般为实信号，在处理 之前先要将其转换为解析信号。另外，在实际情况中，数据协方差矩阵是用采样 协方差矩阵食代替的【4 l 】【4 2 】，即 蠢：杰x x 耳 ( 2 1 7 ) j 乙智 、 式中j 表示数据的快拍长度。对r 进行特征分解可以计算得到信号子空间b 、 噪声子空间致以及由特征值组成的对角矩阵。 该方法的算法流程如图2 2 。目前该方法国内尚无入研究，本课题就是基于该 方法，对其提出改进方案，得到种不需要事先知道声源方位的阵形估计方法， 在第三章将详细介绍。 第l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 2 特征矢量阵形估计算法流程 2 2 非声测量方法 非声测量方法主要是在水听器拖曳阵上安装若干个深度或航向传感器，利用这 些传感器的测量值来估计出阵形。对于二维水平面内的阵形估计，多安装航向传 感器，这里先对航向传感器做简单的介绍。 2 2 1 航向传感器简介 航向传感器( h e a d i n gs e l l s o r ) 是通过感受相应地区的地磁特征来实现航向测 量的装置。一般的航向传感器大多采用地磁传感器。 在地磁场环境中，单轴磁场传感器感应到的磁场是传感器取向方向上的地磁 场分量【4 5 1 。假设单轴磁场传感器在某一水平平面内，在该平面内存在比较固定的 磁场，水平强度为。如图2 3 所示。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 3 水平而内磁场传感器感应剑的磁场与水平强度的关系 在这种情况下，单轴磁场传感器感应到的磁场大小，是地球磁场水平强度的 余弦分量，即h ，= h c o s 臼。将单轴磁场传感器安装在拖曳阵列内，和拖曳阵成 线。则结合所在区域的地磁偏角，由卜式得到的夹角与地磁偏角组合后，即得到 拖曳阵中磁场传感器所在位置与地理北的夹角，也就实现了测向的目的。 以上是认为拖曳阵中的磁场传感器在水平面内。但实际工作中，可能发生磁 场传感器所在部分倾斜的状况。如果磁场传感器所在阵列段与水平面的倾角口， 则磁传感器感应的磁场大小日，可按照倾角投影到水平面上，再由水平面上的磁场 分量和地磁场水平强度进行计算，得到相应的水平偏角0 ，h sc o s a = h c o s 0 。 用于拖曳阵的航向传感器的尺寸一般较小，呈长条状。如今，有三家公司的航 向传感器做的比较好，如图2 4 。 一、4 。 m o d e l3 2 1h e a d i n gs e n s o r ( i o )l o c k h e e dm a r t i nt b - 2 9 1 1 b 一2 9 ah e a d i n gs e n s o r ( t i a x ) c i ss e r ie s ( c r o s s b o wt e c h n o l o g y ) 图2 4 航向传感器产品 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 这三种航向传感器都能实现3 6 0 度全方位测量，其中王o 公司的m o d e l3 2 1 测 量精度可以达到0 3 5 度，其他两种也达到o 5 度。t i a x 公司的航向传感器已经在 t b 一2 9 t b - 2 9 a 拖曳阵中安装使用。 2 2 2 插值拟合方法 插值拟合方法【3 l - 3 3 ，4 镄是在水听器阵列上安装若干个辅助传感器，利用这些传 感器的测量值就可以确定阵列上传感器所在位置的局部形态，然后羁用样条插值 或似然估计等方法拟合整条阵列的形状。如果安装多种传感器，例如同时安装航 向和压力传感器，就可以拟合出阵列的三维形状。 设在阵元的拖曳阵上装有l ( l n ) 个航向传感器，阵元间距为厂。当阵 形没有畸变时，各个航向传感器的横坐标为x = 五五置】r 。那么拖曳阵 的阵形可以通过次多项式拟合来求得，即拖曳阵在水平面内的二维阵形y ( x ，t ) 可 表示为： y ( 墨f ) = a a t ) x ”，0 x 彳o ，认为此时估计阵形已经不太可靠。继续降低信嗓眈，到1 0 d b 时，估计误差r 已经很大，达到0 3 m ，估计阵形失真较严重。由此可以知道，要 希望通过单频傣源估计出比较可靠的阵形，接收信号的信嗓比至少要高于1 6 d b ， 最好能在3 0 d b 以上。 言 里 气 l k s 、 张 。l i 一，、 一j 一讼。 一黼剿、爿谶i i 图4 8 阵捌估计误差( m s e ) 与倍嗓比( s n r ) 的关系 利用1 0 次平均之后的阵形做c b f 得到图4 6 的波束图。这时得到熬声源方位 与实际预设的方位一致。从图中可以看出，估计阵形的c b f 波束图主瓣缀尖锐， 除了主瓣之外没有别的边峰。 第3 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 s n r = 3 0 d bc b fr e s u l td o a = 6 0 0 - - - c b fw i t h o u ts h a p ee s b m a a o n 一崔 i - - 一r ! r fw i t h 宴h 盘n 冉一对i m a f i o n 罪 | l ； l i i i ! i i m i 一- h 。 l 州 i - - 川i i i i h !i 一蕊f i - l 一i 。艇 a 、 - - ， - - - 一一 ， 图4 91 0 次平均后估计阵形的c b f 波束图 在实际试验中，估计阵形的波束形成可以用来定性地判断阵形估计的好坏。 因为实际中阵列的真实形状是不知道的，利用估计阵形做波束形成，如果波束形 成定出的目标方向与实际声源方位一致，则认为阵形估计比较成功。在图4 6 中， 我们还给出利用直线阵做c b f 的波束曲线，对比两条波束曲线可以看出，不进行 阵形估计做出来的c b f 波束主瓣方向明显地偏离了真实的目标方位，而且还有一 个比较大的边峰出现。但由于c b f 对阵形不敏感，所以两条波束曲线的主瓣宽度 差不多，当阵形畸变较小，用c b f 就无法评价估计的精度。为此我们选择对阵形 比较敏感m v d r 方法来做波束。如图4 7 。 s n r = 3 0 d bm v d rr e s u l td o a = 6 0 0 ii m v d rw i t h o u ts h a p ee s t i m a t i o n ；_ - _ - 1 一m v d r w i t hs h a p ee s t i m a t i o n 5 窭 鳇 - l l -i - i 譬u - r - n l - i i ， i - _ - 、刊 ! i _ pi i j f q i i “一吒二，气 i 。 j 一 图4 1 0l o 次平均后估计阵形的 师v - d r 波束图 第3 6 页 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 o o 0 0 o 0 0 n n k16已吾墨c-口一 圜防科学技术大学研究生院学位论文 从图中可以看出，估计阵形的m v d r 波束主瓣非常窄，而不做阵形估计的 m v d r 不仅波束主瓣宽，而且本底很高。阵形估计的效果很明显。 有了图4 6 的估计阵形的c b f 结果，可以利用式( 3 2 8 ) 来计算估计阵形的阵增 益么g 搬为9 3 8 d b ，仿真时使用的是8 0 0 h z 单频信号，噪声为伪随机噪声，可以分 别求出信号和噪声在各对阵元之间的相关系数，然后利用式( 3 2 7 ) 得出理想的阵增 益a g e 为1 0 3 7 d b 。估计阵形的阵增益么g 辨和理想的降增益么毽比较接近，这说明 估计阵形是准确的。 4 1 2 连续估计情况 对于拖曳阵的阵形，实时估计才有意义。现在考虑一段时间内连续阵形估计 的效果。假设拖船沿正东方向航行2 0 0 秒，在2 0 0 秒内航向传感器的测量值按图 4 1 l 变化。 霉 鼙 兽 图4 。l l 靛离传感器测萋值 随着拖船的运动，声源与阵列的相对位置发生变化，所以声源的方位也会有 所改交。每1 秒刷新一次估计结果，并利用估计阵形擞m v d r ，得到的波束瀑布 图如图4 1 2 。图4 1 1 中的左图是没做阵形估计的m v d r 瀑布图，仍然假设阵列为 道线阵。右圈是估计阵形的m v d r 瀑布图。对比两图可以看出，虽然二者的星标 方位轨迹都比较明显，但利用估计阵形求出的轨迹比较直，和预设的声源方位线 蠛变讫规律相符合，丙利熏直线阵求出的轨迹有明显的弯蓝，说明直接利用直线 第3 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 阵对目标定位不准确，误差较大。 m v d rw i t h o u ts h a p ee s t i m a t i o nm v d rw i t hs h a p ee s t i m a t i o n 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 0 3 06 09 01 2 01 5 0 1 8 0 a n g l e ( d e g ) 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 03 06 09 01 2 0 1 5 01 8 0 a n g l e ( d e g ) 图4 1 2 估计阵形的m v d r 瀑布图 图4 1 3 给出了2 0 0 秒内每次估计阵形的阵列估计误差r 。从图中知道，误差 基本卜稳定在0 0 1 m 附近，这个误差值远小于。说明每次估计的阵形都是可信 05 u 1 0 01 5 02 0 0 t i m e ( s ) 图4 1 3 每次估汁阵形的均方根误差(