[發(fā)明專利]一種高魯棒性的水聽器陣列測向系統(tǒng)裝置及設(shè)計(jì)方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210252103.1
• 申請日: 2022-03-15
• 公開（公告）號: CN114594424A
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 侯書畫;趙宣植;劉增力
• 申請（專利權(quán)）人: 昆明理工大學(xué)
• 主分類號: G01S5/20
• 分類號: G01S5/20;G01S7/521;G01S15/62
• 代理公司: 云南律翔知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 53219
• 代理人: 方藏輝

本發(fā)明公開了一種高魯棒性的水聽器陣列測向系統(tǒng)裝置及設(shè)計(jì)方法，該測向系統(tǒng)由水聽器陣列、485模塊、主控模塊、人機(jī)交互顯示終端、太陽能供電模塊組成。在本發(fā)明系統(tǒng)平臺(tái)上，設(shè)計(jì)了一種疏密布設(shè)的、性能穩(wěn)定可靠的水聽器基陣，該陣列具有穩(wěn)定的差分共陣結(jié)構(gòu)和高連續(xù)自由度，精度高于傳統(tǒng)均勻線陣和稀疏線陣。本發(fā)明系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對水下多目標(biāo)的波達(dá)方向解算，在陣元隨機(jī)故障下具有高魯棒性和高測向精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于陣列信號處理領(lǐng)域，尤其涉及一種采用三元冗余陣排布的水聽器陣列測向系統(tǒng)裝置及設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

波達(dá)方向估計(jì)是陣列信號處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于聲吶、通信、雷達(dá)等眾多領(lǐng)域。被動(dòng)聲吶系統(tǒng)在水下導(dǎo)航、海洋開發(fā)、海底探索等領(lǐng)域具有重要價(jià)值，被動(dòng)聲吶系統(tǒng)本身不發(fā)射聲波，通過水聽器基陣接收水下目標(biāo)產(chǎn)生的輻射噪聲或者目標(biāo)物主動(dòng)發(fā)出的聲信號，以此感知水下環(huán)境，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的方位估計(jì)。在聲吶系統(tǒng)中，提高陣列分辨率、精確測量目標(biāo)方位是不斷要優(yōu)化的目標(biāo)，要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，一個(gè)關(guān)鍵是要有性能穩(wěn)定、可靠的水聽器基陣。水聽器基陣是指根據(jù)性能需求將多個(gè)水聽器按照一定的規(guī)則排布而成的陣列，其基本形式包括水聽器線陣，可以分為均勻線陣和稀疏線陣。傳統(tǒng)的基陣往往采用均勻線陣,但是隨著實(shí)際需求的變化與海洋工程的發(fā)展, 要求水聽器基陣的陣元數(shù)目越來越多，陣列尺寸也越來越大，稀疏線陣因其分辨率和自由度的優(yōu)勢得到了廣泛的應(yīng)用。

稀疏線陣往往可利用個(gè)物理陣元獲得長度為的中央連續(xù)段差分共陣，理論上能估計(jì)出個(gè)不相關(guān)的信源方向，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于水下條件復(fù)雜惡劣、陣元本身質(zhì)量或陣元老化等因素影響，水聽器基陣的陣元易發(fā)生故障，陣元故障通常會(huì)破壞稀疏陣的差分共陣結(jié)構(gòu)，打破虛擬陣元的連續(xù)性，降低自由度數(shù)目，導(dǎo)致相關(guān)的DOA估計(jì)方法性能下降甚至失效。盡管均勻線陣具有高度冗余和低脆弱性，但可估計(jì)的信源數(shù)十分有限，而其余稀疏線陣往往犧牲冗余追求高自由度，陣元故障時(shí)導(dǎo)致連續(xù)自由度數(shù)減少，降低了陣列的魯棒性。現(xiàn)有稀疏陣列的設(shè)計(jì)基本上沒有考慮到陣元故障時(shí)的情況，因此，陣元故障下陣列的魯棒性還需要深入研究，設(shè)計(jì)一種陣元故障下能保持較長中央連續(xù)段差分共陣，具有高魯棒性的水聽器陣列是有必要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種高魯棒性的采用三元冗余陣排布的水聽器陣列測向系統(tǒng)裝置及設(shè)計(jì)方法，旨在解決陣元出現(xiàn)故障時(shí)稀疏線陣的差分共陣結(jié)構(gòu)易遭受破壞、自由度急劇減少、測向精度降低等問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，包括：

（1）水聽器陣列，根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的水聽器個(gè)數(shù)，并采用三元冗余陣排布方式掛載在RS485總線上，用來采集目標(biāo)信號。

（2）485模塊，采用SP3485芯片作為485通信的收發(fā)器，該模塊與RX485總線連接，在其傳輸線上可連接多個(gè)水聽器接收節(jié)點(diǎn)。

（3）主控模塊，核心處理器選擇TMS系列DSP處理器 TMS320F28335,設(shè)定空間平滑MUSIC程序?qū)邮諗?shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出空間譜和波達(dá)方向。主控模塊通過RS485總線向水聽器發(fā)送觸發(fā)信號使其開始或停止采集，當(dāng)水聽器處于上傳數(shù)據(jù)模式且開始采集后，主控模塊以應(yīng)答方式依次命令各個(gè)水聽器上傳數(shù)據(jù)。

（4）人機(jī)交互顯示終端，采用金鵬實(shí)業(yè)有限公司的C系列彩屏智能終端液晶顯示器，它具有32位ARM處理器和FPGA雙核控制架構(gòu)，DSP芯片通過串口連接顯示屏，實(shí)現(xiàn)終端人機(jī)交互和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，并通過操作頁面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如設(shè)備的開關(guān)機(jī)、水聽器陣列的投放與收回、采樣的開始與停止、DSP處理器的處理精度、運(yùn)算次數(shù)等，顯示目標(biāo)信號的入射波達(dá)方向。

（5）太陽能供電模塊，利用太陽能發(fā)電板進(jìn)行發(fā)電，太陽能充電管理芯片選用CN3791，將電能儲(chǔ)存到蓄電池中，通過降壓穩(wěn)壓為所有其它模塊供電，進(jìn)而節(jié)約能源。

為了提升本發(fā)明測向系統(tǒng)的魯棒性和精度，設(shè)計(jì)了一種三元冗余水聽器排布方式， 包括以下步驟：

（1）用表示陣元間距的基本單元，通常將其取為半波長，即，表示陣列入射信號的波長。