利用声场干涉特性的海底声学阵列阵形估计方法

1.一种利用声场干涉特性的海底声学阵列阵形估计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：设计一条及以上航向不同的航线段，合作声源船沿着其中一条航线段做匀速直线运动；完成该条航线段后，合作声源船再随机地航行到下一条航线段做匀速直线运动，直至航行完所有航线段；合作声源船在每条航线段航行期间搭载声源不间断发射频率为f T 的低频单频连续信号；以空间任意点作为原点，建立直角坐标系：设水听器阵列共有M个水听器，第m个水听器基于该直角坐标系的位置坐标为χ rm ＝[x rm ,y rm ] T ，m＝1,2，...,M；合作声源船基于该直角坐标系在时刻t的坐标为χ s (t)＝[x s (t),y s (t)] T ；步骤2：对于任意一条航线段，利用水听器阵列连续采集声信号，获得M个水听器的接收信号矩阵p；设信号采样率为f s ，该航线段总的数据观测时间为T，对应该航线段总的数据观测时间内的采样点数为N＝int(Tf s )，int表示对数据取整，获得M个水听器的接收信号矩阵p，即定义p m (n)表示第m个水听器在采样点n处的接收信号值；步骤3：对步骤2中的接收信号矩阵p的每一列分段处理并做快速傅里叶变换，获得在频率f T 处的频谱值；遍历矩阵所有列获得M个水听器在频率f T 处的频谱矩阵TL；首先接收信号矩阵p的第m列p m 的所有元素分为K段：p m ＝[p m (1),p m (2),...,p m (N win ),p m (N win +1),p m (N win +2),...,p m (2N win ),...,p m ((K-1)N win +1),p m ((K-1)N win +2),...,p m (KN win )] T其中K＝int(N/N win )，每段处理的信号点数N win ＝int(T win f s )，T win 为N win 对应时间窗口长度；对第k段包含的元素[p m ((k-1)N win +1),p m ((k-1)N win +2),...,p m (kN win )] T 进行N win 个点的傅里叶变换，得到信号对应的频谱向量P m (i,k)：P m (i,k)＝FFT{[p m ((k-1)N win +1),p m ((k-1)N win +2),...,p m (kN win )] T } (2)其中FFT表示快速傅里叶变换，i表示第k段进行快速傅里叶变换后的频率点，i＝0,1,2,…,N win -1，k＝1,2,...,K；第i个频率点对应的频率是if s /N win ；接下来，找到P m (i,k)对应于第i 0 个频率点的频谱值P m (i 0 ,k)，其中i 0 ＝int(f T N win /f s )；遍历接收信号矩阵p的所有列，得到M个水听器在频率f T 处的频谱矩阵TL为：其中|·|表示对复数取模；将矩阵TL表现为图像形式则为一幅时间-基元二维图像，称为TL图像；该图像的特征是呈现若干条明暗相间的条纹，且每根条纹的声强值接近，定义这些声强接近的条纹为TL图像的等脊背线；等脊背线上每一点的横坐标为水听器编号m，纵坐标为时刻t ml ，其中t ml 表示第l条等脊背线上声源辐射信号到达第m个水听器的时刻，l＝1,2,...,L，L表示一幅TL图像中等脊背线的总条数；另设该等脊背线上另一个水听器q的纵坐标为时刻t ql ，q＝1,2,...,M,q≠m，那么组成TL图像中任意一条等脊背线的像素点的物理意义为，合作声源船在t ml 时刻与第m个水听器的距离和在t ql 时刻与第q个水听器的距离相等；步骤4：抽取一幅TL图像中任意两条等脊背线构成两个二次方程，并对两个二次方程进行化简得到一个线性方程；重复该步骤若干次直至获得4个线性方程；对任意一条等脊背线上的第m个和第q个水听器，建立如下二次方程：由上式第2行所表示的约束条件中，χ rm 和χ rq 分别为第m个和第q个水听器的坐标，||χ rm -χ rq ||＝L mq 表示水听器阵列中第m个和第q个水听器的间距为L mq ，该参数在阵列制作过程中已知，可作为后续方程求解的约束条件；由于公式(4)的方程是二次方程，难以直接求解，因此任意选取两条等脊背线，不妨设为第l 1 条和第l 2 条等脊背线，那么：上述两式两边平方，左右两边互减后，两式可化简为一个线性方程：其中 为抽取的第l 1 条和第l 2 条等脊背线上，合作声源船在 时刻与第q个水听器的距离之差；同样地， 为抽取的第l 1 条和第l 2 条脊背线上，合作声源船在 时刻与第m个水听器对应的距离之差；由于合作声源船的坐标已知，因此Δ q (l 1 ,l 2 )与Δ m (l 1 ,l 2 )均已知；由于公式(7)涉及4个未知数：两个水听器的x、y坐标，无法仅通过这一个线性方程进行未知数求解，至少需要建立4个这样的线性方程才能完成未知数求解；由于一条航线段对应生成一幅TL图像，如果是仅利用一幅TL图像则需要从图像中抽取至少4条等脊背线并重复步骤4四次，方可建立4个这样的线性方程；但另一方面，并非任意一幅TL图像中都必然包含4条以上的等脊背线，因此当TL图像中包含的等脊背线条数不足4条时，则必须增加步骤1中的航线段数目以生成更多的TL图像，然后对每幅TL图像重复步骤4若干次直至建立4个这样的线性方程；后续建立4个线性方程的方法为：首先利用两条航线段生成两幅TL图像，接着对每幅TL图像，利用其中的3条等脊背线分别重复步骤4两次，各建立两个线性方程，即总共建立4个线性方程；步骤5：对步骤4建立的4个线性方程利用最小二乘法求解获得各水听器坐标；设从第一幅TL图像中抽取3条等脊背线，在该线上t ml 时刻对应的合作声源船坐标为χ s (t ml )＝[x s (t ml ),y s (t ml )] T ，l＝1,2,3，经过步骤4可得到两个线性方程；同样地，从第二幅TL图像中抽取3条等脊背线，该线上 时刻对应的合作声源船坐标为 经过步骤4可得到两个线性方程；将4个线性方程联立可得到下述方程组： 和 的定义与Δ q 和Δ m 相同，仅对应不同的TL图像；对上述方程进行解算，获得第m个和第q个水听器的坐标[x rm ,y rm ] T 和[x rq ,y rq ] T ；遍历每个水听器依次构建如公式(8)所示的方程组，即可获得每个水听器的坐标。 2.一种根据权利要求1所述利用声场干涉特性的海底声学阵列阵形估计方法，其特征在于：步骤1中，每条航线段长度不少于4km。 3.一种根据权利要求1所述利用声场干涉特性的海底声学阵列阵形估计方法，其特征在于：合作声源船基于直角坐标系在时刻t的坐标χ s (t)＝[x s (t),y s (t)] T 利用GPS或北斗系统测量得到。 4.一种根据权利要求1所述利用声场干涉特性的海底声学阵列阵形估计方法，其特征在于：步骤5中，利用最小二乘法求解公式(8)。 5.一种根据权利要求1或4所述利用声场干涉特性的海底声学阵列阵形估计方法，其特征在于：当建立的线性方程多于4个时，公式(8)为超定方程，此时利用最小二乘法进行求解，可更有效的减小各种噪声源带来的测量误差。