[發(fā)明專利]適用于均勻圓陣列聲納系統(tǒng)的幅相誤差自校正方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410775273.3
• 申請(qǐng)日: 2014-12-15
• 公開（公告）號(hào): CN104535987A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 夏偉杰;金雪;蔣鵬飛;董琎琎;周建江;竇法旺;李林成
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S7/52
• 分類號(hào): G01S7/52
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 熊玉瑋

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明公開了一種幅相誤差校正方法，尤其是適用于均勻一維圓陣列(UCA，Uniform?Circular?Array)聲納系統(tǒng)的幅相誤差自校正方法，屬于聲納技術(shù)中信號(hào)處理的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

在聲納、無(wú)線通信等領(lǐng)域中，由于生產(chǎn)工藝和施工技術(shù)等方面的原因，接收陣列誤差往往很難避免，這將直接影響系統(tǒng)的探測(cè)性能。陣列誤差校正一直是陣列信號(hào)處理算法應(yīng)用于工程實(shí)踐的關(guān)鍵技術(shù)之一，大多數(shù)陣列誤差可以歸結(jié)為幅度和相位的誤差。目前關(guān)于陣列誤差的校正方法可以分為有源校正和自校正兩種。有源校正方法需要事先知道校正源相對(duì)于圓陣圓心的準(zhǔn)確的位置信息，所以在工程實(shí)踐中應(yīng)用比較困難。常見的自校正方法一般用于線陣陣列，不需要事先放置已知位置信息的校正源，通常需要對(duì)建立的代價(jià)函數(shù)進(jìn)行迭代尋優(yōu)操作，隨著陣元數(shù)目的增加計(jì)算量也會(huì)很龐大。而圓陣又憑借其特有的優(yōu)勢(shì)在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。因此提出一種基于圓陣的快速高效的幅相誤差校正方法是很有必要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述背景技術(shù)的不足，提供適用于均勻圓陣列聲納系統(tǒng)的幅相誤差自校正方法。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案：

適用于均勻圓陣列聲納系統(tǒng)的幅相誤差自校正方法，包括如下步驟：

步驟1，運(yùn)用模式空間變換理論將均勻圓陣列轉(zhuǎn)換為虛擬線陣列：

理想情況下不考慮圓陣陣列存在幅相誤差時(shí)，根據(jù)下式將圓陣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成虛擬線陣的數(shù)據(jù)：

y＝Tx?????????(1)，

式(1)中，x表示理想情況下圓陣列各陣元接收到的數(shù)據(jù)，y表示虛擬線陣各陣元接收到的數(shù)據(jù)，T表示模式變換矩陣，T根據(jù)式(2)得到：

T＝(1/M)J^-1F???????????????(2)，

式(2)中，M表示圓陣列的陣元數(shù)，矩陣J和矩陣F根據(jù)式(3)、式(4)得到：

式(3)、式(4)中，j表示虛數(shù)單位，exp表示以自然對(duì)數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)，K表示相位模式數(shù)，一個(gè)圓陣可以激發(fā)的最大相位模式數(shù)為這里是向下取整號(hào)，即一個(gè)圓陣可以激發(fā)的最大相位模式有-K,-K+1,…,0,…,K-1,K，共2K+1個(gè)，其中，β＝2πR/λ，R表示圓陣陣列的半徑，λ表示回波的波長(zhǎng)，M表示圓陣列的陣元數(shù)，一般要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于K，實(shí)際應(yīng)用中取M>2K，此時(shí)離散圓陣和連續(xù)圓陣方向特性近似相同，相位模式空間也近似相同，J_K(β)表示第一類K階貝塞爾函數(shù)，

變換后的虛擬線陣導(dǎo)向矢量α_v(θ)與原來(lái)圓陣列的導(dǎo)向矢量α(θ)之間的關(guān)系為：

α_v(θ)＝Tα(θ)≈[exp(-jKθ)?…?exp(jKθ)]^T???????(5)，

式(5)中，K表示相位模式數(shù),θ表示遠(yuǎn)場(chǎng)校正源和圓陣圓心的連線與參考陣元和圓陣圓心的連線之間的角度，即校正源的方位角；

步驟2，利用TSI算法對(duì)變換為虛擬線陣列的均勻圓陣列進(jìn)行波達(dá)方向估計(jì)，確定校正源方位角；

步驟3，通過空間濾波器估計(jì)均勻圓陣列的幅相誤差參數(shù)。

作為所述適用于均勻圓陣列聲納系統(tǒng)的幅相誤差自校正方法的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟1中考慮到均勻圓陣列存在陣列誤差的情況，理想變換矩陣相對(duì)真實(shí)陣列流形的失配使得轉(zhuǎn)換后虛擬陣列的導(dǎo)向矢量不具有Vandermonde結(jié)構(gòu)，對(duì)模式變換矩陣T進(jìn)行修正得到修正后的模式變換矩陣T'：T'＝TΓ^-1，Γ為M×M維幅相誤差參數(shù)矩陣，變換后的虛擬線陣導(dǎo)向矢量α_v(θ)與原來(lái)圓陣列的導(dǎo)向矢量α(θ)之間的關(guān)系為：

α_v(θ)＝T'[Γα(θ)]＝Tα(θ)≈[exp(-jKθ)?…?exp(jKθ)]^T????(6)，

在實(shí)際圓陣列存在幅相誤差的情況下，根據(jù)表達(dá)式：y＝T'x，將圓陣列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成虛擬線陣數(shù)據(jù)，虛擬線陣的陣元數(shù)M'為M'＝2K+1，歸一化頻率值u等于校正源的方位角θ。

作為所述適用于均勻圓陣列聲納系統(tǒng)的幅相誤差自校正方法的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟2中所述TSI算法包括三個(gè)階段：