理想的模型，定位精度更高，更符合實 際應用。
[0079] 2)在步驟1)推導的模型下具體近場波達方向估計方法估計出方位角和距離位置 參數(shù)，進而定位目標，具體流程圖如圖4所示，并詳述如下：
[0080] 在實際應用中，聲波在傳播的過程中，會受到水流的影響而發(fā)生速度的改變，我們 可以利用現(xiàn)有的專利方法來獲得水流的速度和方向。
[0081] 從步驟1)的水下近場模型可以看出，新的模型下的陣列流形矩陣A有別于傳統(tǒng)理 想模型的陣列流形矩陣A，但是整個模型整體上仍舊是可以利用傳統(tǒng)的D0A估計算法（如 MUSIC算法）來求解距離和方位角位置參數(shù)。則估計方法的詳細步驟如下：
[0082] 2. 1)對接收M陣源的陣列信號做L次的快拍采樣，得到MX L維的數(shù)據(jù)矩陣X ;
[0083] 2. 2)利用最大似然估計，計算出數(shù)據(jù)X協(xié)方差矩陣為：
[0084] Rx=XXh/L
[0085] 2. 3)對數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣艮進行特征值分解，得到M個特征值入= 1，...，M)和 相對應的特征矢量ei:
[0086] Rxei=人a, i = 1，2,…，M
[0087] 2. 4)劃分信號子空間和噪聲子空間，對艮的特征值進行升序排列 {^4…,4,4w,4}，即…乏4，其前k個小特征值A，4…又對應的特征 矢量組成信號子空間I % =[5P52，…,SJ，后M-K個大特征值4+1，…,iM:對應的特征矢量組 成噪聲子空間[/w =[^+1，…，'];
[0088] 2. 5)構造新模型下的新的空間譜函數(shù)，即構造步驟1)推導的近場波達方向估計 模型的空間譜函數(shù)，因為新模型是有考慮到水流速度的影響，所以求出的時間差T mi與傳 統(tǒng)模型有所不同，也就使得新模型下所求得的陣列流形矩陣A自然與傳統(tǒng)理想場景的A有 所不同的，也即新模型下會有新的空間譜函數(shù)。對于第i個聲源，新的空間譜函數(shù)為：
[0090]其中a( 0 i，ri)是導向矢量，即陣列流形矩陣A的列矢量；
[0092] 2. 6)進行方向和距離聯(lián)合二維譜峰搜索，確定第K個聲源的方向和距離信息：
[0093]
[0094] 以下為能夠實現(xiàn)本實施例上述近場波達方向估計方法的裝置，包括控制模塊、發(fā) 射模塊、接收模塊、處理模塊、顯示模塊、無線通信模塊，如圖5所示。所述控制模塊，分別與 發(fā)射模塊、接收模塊、處理模塊、顯示模塊，無線通信模塊相連，用于對各個模塊進行控制； 所述發(fā)射模塊，與控制模塊相連，根據(jù)控制模塊的指令，進行超聲發(fā)射；所述接收模塊，分別 與控制模塊、處理模塊相連，根據(jù)控制模塊的指令，接收目標聲源信號并傳送給處理模塊； 所述處理模塊，分別與控制模塊、接收模塊、顯示模塊相連，根據(jù)控制模塊的指令進行數(shù)據(jù) 處理，其通過對接收信號進行分析，運用相關算法計算出目標的距離和方位角位置參數(shù)；所 述顯示模塊，分別與控制模塊、處理模塊相連，提供人機交互界面，供用戶輸入設定參數(shù)， 并根據(jù)控制模塊的指令，將處理模塊計算出的目標位置參數(shù)顯示出來；所述無線通信模塊， 與控制模塊相連，提供水下與船舶或陸地之間數(shù)據(jù)傳送的功能。其中，所述控制模塊和處理 模塊可以用DSP芯片實現(xiàn)（如：TI公司TMS320VC5509A的DSP芯片）；發(fā)射模塊使用超聲波 發(fā)射探頭，接收模塊使用多個超聲接收探頭組成的直線陣列；顯示模塊可采用LCD顯示屏； 無線通信模塊可以使用藍綠激光器實現(xiàn)。本發(fā)明所述裝置的硬件結構框圖如圖1所示，主 要包括超聲波發(fā)射探頭、超聲波接收探頭陣列、A/D轉換器、D/A轉換器、處理器、藍綠激光 器、顯示屏、電源和USB接口。
[0095] 基于上述近場波達方向估計方法，本發(fā)明所述裝置工作的主要步驟如下：
[0096]步驟1 :通過顯示模塊提供的用戶輸入界面，向控制模塊設定以下幾項參數(shù)：1)陣 元類型為直線陣列；2)陣元個數(shù)為8個；3)待發(fā)射的超聲頻率為34kHz，脈沖長度5ms ;4) 采樣次數(shù)為200拍次的采樣。
[0097] 步驟2:控制模塊控制超聲接收探頭接收目標聲源信號；此處使用八個超聲接收 探頭，接收所獲得的信號分別為 Xl (t)，x2 (t)，…，x8 (t)。t = 1，2,…，200,即共采樣接收200 次，并將接收到的信號傳遞給處理模塊做運算處理。
[0098] 步驟3:處理模塊接收到接收模塊傳送過來的數(shù)據(jù)后，數(shù)字處理器中的處理步驟 具體如下：
[0099] 1)將接收數(shù)據(jù)存放在矩陣X中，并求得數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣：RX=XXh/200。
[0100] 2)對數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣&進行特征值分解，得到M個特征值X和特征矢量 e :R xei =人心，i = 1，2, ...，M〇
[0101] 3)劃分信號子空間和噪聲子空間，對2)中求得的特征值進行升序排列 {《，毛，…，Hi，…，}，即4 2忑之…乏疋，。其前K個小特征值.4，12，…，，對應的特征 矢量組成信號子空間％ =叵為，…，后M-K個大特征值4+1，…,4:對應的特征矢量組 成噪聲子空間=匕+1，…，gM]。
[0102] 4)進行方向和距離聯(lián)合二維譜峰搜索，確定K個聲源的方向和距離信息：其中，空 間譜函數(shù)為>
。而對0 i，&進行聯(lián)合二維搜索即可得到第 i個信號源方位角和距離位置信息，做K次二維譜峰搜索即可確定K個聲源的方向和距離信 息
3以K = 3,角度的搜索步長為1°，搜索范圍是0° 到180°;距離的搜索步長為5cm，搜索范圍是0m到50m為例，則方向和距離聯(lián)合二維譜峰 搜索流程如圖6所示。
[0103] 步驟4:將計算出的方位角和距離信息存儲下來，并傳送給顯示模塊，顯示在LCD 顯示屏上，也可以根據(jù)需要控制無線通信模塊將目標位置信息發(fā)送至船舶或陸地。
[0104] 以上所述之實施例子只為本發(fā)明之較佳實施例，并非以此限制本發(fā)明的實施范 圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內。
【主權項】
1.基于線陣綜合聲速補償?shù)慕鼒霾ㄟ_方向估計方法，其特征在于，包括w下步驟： 1) 推導綜合聲速補償?shù)慕鼒霾ㄟ_方向估計模型 模型場景中有一均勻直線陣，有M個接收陣元，陣元間間距為d，被動式探測，有K個目 標聲源Si，S,，…，Sk為點源，頻率為t目標對應的方位角及距離參數(shù)分別為（0i，ri)，（ 0 2， r2)，…，（0K，rK)，其中ei是聲源Si與陣列的參考點之間的連線與陣元所在直線之間的夾 角，0mi是聲源Si與第m個陣元之間的連線與陣元所在直線之間的夾角，dm是第m個陣元 與參考點之間的距離，是聲源Si與陣列參考點之間的距離，i= 1，2,…，K;設水流方向 與陣元所在直線之間的夾角為a，水流速度為聲音在靜止的水流中的速度設為V;對 模型詳細推導如下： 1. 1)第i個聲源到第m個陣元的距離為：其中，屯二虹-(M+l)/2]d; 1.2)聲源Si與第m個陣元之間的連線與陣元所在直線之間的夾角0 為：1. 3)根據(jù)幾何關系，可W求得第i個聲源Si到達陣元參考點與到達第m個陣元所需的 時間之差Tmi，求得；因此，時間差Tmi可W該樣表達：1. 4)對于K個聲源信號，第m個陣元所接收到的全部信號為：其中，ni(t)是接收第i個聲源時的噪聲，Qmi是幅度衰減參數(shù)，且1. 5)由上述四步可W得出整個陣列第t個時刻的接收信號為： X(t) =AS(t)+N(t)2) 在步驟1)推導的模型下具體近場波達方向估計方法估計出方位角和距離位置參 數(shù)，進而定位目標，詳細步驟如下： 2. 1)對接收M陣源的陣列信號做L次的快拍采樣，得到MXL維的數(shù)據(jù)矩陣X; 2. 2)利用最大似然估計，計算出數(shù)據(jù)X協(xié)方差矩陣為： R,= XX VL 2. 3)對數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣Ry進行特征值分解，得到M個特征值Ai(i= 1，. . .，M)和相 對應的特征矢量ei; 尺其二入腳，i= 1，2,…，M 2. 4)劃分信號子空間和噪聲子空間，對馬的特征值進行升序排列 成毛，…，足，足+1，…，也}，即^ ，其前K個小特征值本疋，…，足對應的特征矢 量組成信號子空間l/s=[gi，g;，…，gj，后M-K個大特征值右-+1，…，對應的特征矢量組成噪 聲子空間的=良+1，…， 2.5) 構造新模型下的新的空間譜函數(shù)，即構造步驟1)推導的近場波達方向估計模型 的空間譜函數(shù)，因為新模型是有考慮到水流速度的影響，所W求出的時間差Tmi與傳統(tǒng)模 型有所不同，也就使得新模型下所求得的陣列流形矩陣A自然與傳統(tǒng)理想場景的A有所不 同的，也即新模型下會有新的空間譜函數(shù)，對于第i個聲源，新的空間譜函數(shù)為：其中a( 0。ri)是導向矢量，即陣列流形矩陣A的列矢量；2.6) 進行方向和距離聯(lián)合二維譜峰捜索，確定第K個聲源的方向和距離信息：2.-種基于線陣綜合聲速補償?shù)慕鼒霾ㄟ_方向估計裝置，其特征在于：包括控制模 塊、發(fā)射模塊、接收模塊、處理模塊、顯示模塊、無線通信模塊，其中： 所述控制模塊，分別與發(fā)射模塊、接收模塊、處理模塊、顯示模塊，無線通信模塊相連， 用于對各個模塊進行控制； 所述發(fā)射模塊，與控制模塊相連，根據(jù)控制模塊的指令，進行超聲發(fā)射； 所述接收模塊，分別與控制模塊、處理模塊相連，根據(jù)控制模塊的指令，接收目標聲源 信號并傳送給處理模塊； 所述處理模塊，分別與控制模塊、接收模塊、顯示模塊相連，根據(jù)控制模塊的指令進行 數(shù)據(jù)處理，其通過對接收信號進行分析，運用相關算法計算出目標的距離和方位角位置參 數(shù)； 所述顯示模塊，分別與控制模塊、處理模塊相連，提供人機交互界面，供用戶輸入設定 參數(shù)，并根據(jù)控制模塊的指令，將處理模塊計算出的目標位置參數(shù)顯示出來； 所述無線通信模塊，與控制模塊相連，提供水下與船舶或陸地之間數(shù)據(jù)傳送的功能。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于線陣綜合聲速補償?shù)慕鼒霾ㄟ_方向估計方法及裝置，其方法包含兩大步驟，分別是：1)推導綜合聲速補償?shù)慕鼒霾ㄟ_方向估計模型；2)在步驟1)推導的模型下具體近場波達方向估計方法估計出方位角和距離位置參數(shù)，進而定位目標。本發(fā)明相對傳統(tǒng)的水下目標定位方法更具有實用性，精度高。傳統(tǒng)的方法在每一條傳播路徑上都使用了相同的聲速，忽略了水流影響導致的綜合聲速的改變，在復雜的水流環(huán)境下會產生較大的誤差，定位精度不高，不具有實用性，而本發(fā)明方法采用的是綜合的空變聲速，考慮到水流速的補償，具有實用性和高精度的定位。
【IPC分類】G01S5/22
【公開號】CN104931929
【申請?zhí)枴緾N201510317859
【發(fā)明人】寧更新, 鐘英文, 楊文圣, 張軍, 馮義志, 季飛
【申請人】華南理工大學
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2015年6月11日