[發(fā)明專利]拖曳線列陣聲納子陣誤差失配估計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810516947.6
• 申請日: 2018-05-25
• 公開（公告）號: CN108845325B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 喬文昇;王立;雷志雄;李維科;李明兵
• 申請（專利權(quán)）人: 西南電子技術(shù)研究所（中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所）
• 主分類號: G01S15/89
• 分類號: G01S15/89
• 代理公司: 成飛(集團(tuán))公司專利中心 51121
• 代理人: 郭純武

本發(fā)明公開的一種拖曳線列陣聲納子陣誤差失配估計方法，提供一種能夠減小定位誤差，并能得到準(zhǔn)確的方位估計值，更高角度分辨率的估計方法，本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)：在陣列流形矩陣模型中，將真實的全陣列流形矩陣表示為每個子陣的位移誤差量和每個子陣誤差量對全陣列流形矩陣貢獻(xiàn)的線性組合；將子陣間的位置誤差引入測向模型，對含有子陣間位移失配的全陣列模型運(yùn)用貝葉斯法則建立數(shù)據(jù)融合模型，對子陣位置誤差向量和目標(biāo)真實方位進(jìn)行同時求解，根據(jù)融合傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)使用貝葉斯算法同時對子陣位移誤差和波達(dá)方向進(jìn)行估計，得到多快拍觀測值的似然函數(shù)；用后驗函數(shù)得到均方根誤差隨信噪比變化的方位估計值和位移誤差估計值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種將水聽器鑲嵌在電纜上形成線列陣，由拖曳電纜拖在艦尾后水中探測目標(biāo)的聲納。具體涉及一種聲納拖曳線列陣進(jìn)行被動合成孔徑時存在子陣位移誤差情況下，同時對子陣位陣列移誤差和波達(dá)方向估計方法。

背景技術(shù)

拖曳聲納(towed sonar)是將換能器基陣拖曳在運(yùn)載平臺尾后水中探側(cè)目標(biāo)的聲納。拖線陣聲納基陣是柔性的。拖曳過程中由于艦艇機(jī)動和海流影響，以及自身抖動共振，其陣形難以保持穩(wěn)定，陣型畸變將使得拖線陣聲納難以達(dá)到理論性能，這個問題尤其在采用自適應(yīng)信號處理，空間譜估計等現(xiàn)代陣處理方法中更為嚴(yán)重。因為常規(guī)陣處理方法只對陣元能量進(jìn)行累加，而現(xiàn)代陣處理方法還對陣元信號相關(guān)性，信號協(xié)方差矩陣特征值等進(jìn)行計算，雖然現(xiàn)代陣處理方法可以大大提高精度和目標(biāo)分辨能力，但對陣型穩(wěn)定更為嚴(yán)格。此外，拖線陣沒有垂直孔徑，不能區(qū)分水面水下目標(biāo)，在航運(yùn)密集海域或編隊作戰(zhàn)時大量目標(biāo)對其性能產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，會產(chǎn)生到處是目標(biāo)的“滿天星”現(xiàn)象。低頻主動拖曳線列陣聲吶是目前探測安靜型潛艇最有效的手段。由于拖曳線列陣聲吶基陣遠(yuǎn)離本艦,且為柔性陣,探測的方位存在較大誤差。現(xiàn)代拖曳線列陣聲納系統(tǒng)逐漸趨向于工作在低頻段，探測距離不斷提高，向著更高的作用距離和探測精度發(fā)展。在這樣環(huán)境下，若要獲得較好的空間分辨能力，需要使用孔徑較大的陣列，這在實際中，通常意味著更大的系統(tǒng)復(fù)雜度和更高的設(shè)備成本。在不改變拖曳陣列參數(shù)的情況下，利用拖曳線列陣進(jìn)行被動合成孔徑(PSA)，增加了有效孔徑的可能性。PSA技術(shù)是利用信號時間和空間上的相關(guān)性，以及陣列的運(yùn)動信息、位置信息，構(gòu)造一個含有多個虛擬子陣的陣列來獲得更高的方位分辨力。目前，常見的運(yùn)動直線陣PSA方法有：Yen、Carey被動合成孔徑方法、基于快速傅立葉變換的被動合成孔徑，以及擴(kuò)展拖曳陣測量方法等。雖然具有多個虛擬子陣的PSA已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到了聲納波束形成，以及波達(dá)方位(DOA)估計等領(lǐng)域，但在目標(biāo)數(shù)目較多，以及目標(biāo)艦船與本艦運(yùn)動參數(shù)與真實條件不一致的情況下，性能會急劇下降。具體地，只存在單目標(biāo)時，PSA方法可以在相對速度出現(xiàn)誤差情況下工作，直接從數(shù)據(jù)中得到真實的相位校正因子，合成陣元位置不重疊時，仍可準(zhǔn)確地進(jìn)行DOA估計；但在多目標(biāo)時，若相對速度無誤差，PSA方法可以工作，若相對速度存在誤差，則此時的DOA結(jié)果，甚至?xí)钣趩侮嚦Ｒ?guī)波束形成的DOA結(jié)果，陣列擴(kuò)展不但沒有帶來好處，反而增加了定位誤差。除此之外，還有其它因素影響DOA的估計精度,例如陣元間距(通常取工作波長的一半)、目標(biāo)來波之間的角度差、信號的相干性等等。在PSA的基礎(chǔ)上，通常利用高分辨DOA方法可以得到目標(biāo)的精確角度估計。許多高分辨方法，例如多信號分類MUSIC(Multiple Signal Classification)多重信號分類方法、旋轉(zhuǎn)不變子空間方法、稀疏空間譜估計等可以在陣列參數(shù)精確已知的情況，提高陣列的空間分辨率。MUSIC算法是一種基于矩陣特征空間分解的方法，從幾何角度講，從幾何角度，信號處理的觀測空間可以分解為兩個空間是正交的信號子空間和噪聲子空間。MUSIC算法利用這兩個互補(bǔ)空間之間的正交特性來估計空間信號的方位。噪聲子空間的所有向量被用來構(gòu)造譜，所有空間方位譜中的峰值位置對應(yīng)信號的來波方位，其基本思想是對任意陣列輸出數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解，從而得到與信號分類相對應(yīng)的信號子空間和與信號分量相正交的噪聲。MUSIC算法處理任務(wù)是設(shè)法估計出入射到陣列的空間信號的個數(shù)D以及空間信號源的強(qiáng)度及其來波方向。在實際處理中，觀測到的陣列輸出數(shù)據(jù)復(fù)向量Y得到的數(shù)據(jù)是有限時間段內(nèi)的有限次數(shù)的樣本，也稱快拍或快攝，但是原型MUSIC算法要求來波信號是不相干的。以MUSIC為代表的算法存在一個缺點，即對相干信號處理的不理想。在針對相干信號源的一系列處理方案中，比較經(jīng)典的是空間平滑技術(shù)，如空間平滑(SS)和修正的空間平滑(MSS)算法。然而，空間平滑技術(shù)是以損失陣列有效孔徑為代價的，而且只適用于等距均勻線陣(ULA)。當(dāng)存在陣元誤差時，假定的雜波模型與實際接收數(shù)據(jù)不匹配，在模型參數(shù)失配的情況下，原本屬于信號子空間的目標(biāo)信號會被錯誤劃分到噪聲子空間內(nèi)，破壞MUSIC算法目標(biāo)函數(shù)的正交性，導(dǎo)致定位失效和。同理，其余各類高分辨DOA算法也對陣列流形的誤差很敏感，且在低信噪比、少快拍數(shù)、聲源相干情況出現(xiàn)時，高分辨算法的性能將會大為退化。由于重構(gòu)雜波協(xié)方差矩陣依賴于雜波模型的準(zhǔn)確性，若在假定的雜波模型與實際的數(shù)據(jù)不匹配時，將導(dǎo)致算法性能下降甚至失效。因此在拖曳線列陣PSA應(yīng)用中，陣元誤差，信號相干、陣元互耦、通道失配等均會使理想模型不再成立。如何更有效地利用接收數(shù)據(jù)來估計實際的真實陣列流形向量，并進(jìn)行準(zhǔn)確方位估計，成為一個十分重要的課題。