基于三维正交阵的水下探测路径声速测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开基于三维正交阵的水下探测路径声速测量方法及装置。测量方法具体步骤包括：建立三个两两正交的均匀线阵上的接收信号模型；步骤二：计算三个两两正交的均匀线阵上的旋转算子；建立声波在三个两两正交的均匀线阵上三个方向角之间的关系；根据三个方向角之间的关系求出探测路径上声速的大小。测量装置包括处理与控制模块、发射模块、接收模块、A/D和D/A转换模块、电源模块和外设接口。本发明专利技术克服现有测量技术的各种不足，实现在水下目标定位中对探测路径上声速的大小进行精确的测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及声速测量的
，尤其是指一种基于三维正交阵的水下探测路径速度测量方法及装置。
技术介绍
海水声速，即声波在海洋中的传播速度，它不仅是水声学研究中的一个重要参数，而且越来越明显地被列为海洋学的基本要素之一。水声探测是获取海洋信息的基本手段，其中水下目标定位是水声探测中的一个关键技术，它能从定位中获得水下目标的距离和方位等信息。在进行水下目标定位时，探测路径声速往往影响着最终的目标定位结果，对声速测量的不精准都会导致不精确的定位。而在一些经典的水下目标定位方法，如MUSIC算法和ESPRIT算法中，每条探测路径上的声速都是利用一片海水区域内的声速来代替估计得到的，并且是相同的，但海水环境复杂，且受水流因素影响较大，每一条探测路径上的声速其实是不一样的，即对探测路径声速的估计是不精准的，这使得这些目标定位方法得不到很好的利用。因此，精准的水下探测路径速度测量对目标定位至关重要。目前，海水声速测量方法按照测量方式主要分为直接法和间接法两种方法。直接法是用水声设备直接在海洋现场测量海水声速，它可分为时差法、共振声谱法、驻波干涉法与相位比较法等方法。直接法虽然操作较简便，但需在目标位置已知的情况下才能对一条路径上的声速进行测量，如时差法，它必须在目标与接收源距离已知的情况下进行测量，而在进行水下探测时，目标位置都是未知的，这使得直接法在目标定位中的水下探测路径声速测量中失去了实用性。间接法则是根据海水中的深度、温度和盐度三个主要影响海水声速大小的因素，经过成百上千次的分析和实践，提出一种经验公式，利用此经验公式来测量海水声速。根据经验公式的不同，间接法可分为DelGrosso声速算法、Wilson声速算法和Chen-Millero-Li声速算法三种声速算法。然而间接法测量的是一个声速分布较均匀的海水环境中的声波速度，它测量的并不是一条路径上的声速大小，即点对点声速；同时，间接法也需要在目标位置已知的情况下才能进行测量，这使得间接法在目标定位中的水下探测路径声速测量中同样不具有实用性。为了克服直接法和间接法存在的局限性，本专利技术使用三个两两正交的均匀线阵作为接收阵列，利用从目标反射回来的声波在三个阵列中形成的方向角间的关系，得到探测路径声速与三个旋转算子之间的关系式，然后计算出在目标和接收源之间的探测路径上声速的大小，实现了在目标定位中对水下探测路径声速的精准测量。因此，本专利方法在水下探测路径声速测量中更具有实用性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有方法存在的各种不足，提供一种基于三维正交阵的水下探测路径声速测量方法，实现在水下目标定位中对探测路径上声速的大小进行精确的测量。另外，本专利技术另一目的在于提供一种基于三维正交阵的水下探测路径声速测量装置。为了实现上述目的，本专利技术至少可通过以下技术方案之一实现。本专利技术方法的原理是基于空间直角坐标系中任一一条直线与三条轴形成的夹角余弦值的平方和等于1的这个关系式，得出从目标反射回来的声波在三个两两正交的均匀线阵上形成的方向角正弦值的平方和等于1的关系，然后利用这个关系推导出含有三个旋转算子的探测路径声速表达式，最后通过计算三个均匀线阵上的旋转算子来求得最终探测路径声速大小的。基于三维正交阵的水下探测路径声速测量方法，其具体步骤包括以下几步：步骤一：建立三个两两正交的均匀线阵上的接收信号模型；步骤二：计算三个两两正交的均匀线阵上的旋转算子；步骤三：建立声波在三个两两正交的均匀线阵上三个方向角之间的关系；步骤四：根据三个方向角之间的关系求出探测路径上声速v的大小。进一步地，步骤一具体包括：以三维正交的均匀线阵上的接收信号模型所在的直线上建立空间直角坐标系，空间直角坐标系三个轴分别为x、y、z；每个均匀线阵上都有M个接收阵元，M为正整数，且阵元间间距为d，窄带目标声源为S，中心频率为f，目标对应于x轴方向线阵的方向角为θx，对应于y轴方向线阵的方向角为θy，对应于z轴方向线阵的方向角为θz，其中x轴方向线阵的M个阵元为x1,x2,…,xM，y轴方向线阵的M个阵元为y1,y2,…,yM，z轴方向线阵为z1,z2,…,zM；将x轴方向线阵中的M个阵元分为平移矢量为d的两个子阵列Xh和Yh；子阵列Xh由x轴方向线阵中的第一到第M-1个阵元组成，即有：xh1(t)＝x1(t),xh2(t)＝x2(t),…,xh(M-1)(t)＝xM-1(t)其中，xh1(t),xh2(t),…,xh(M-1)(t)分别是子阵列Xh上第一个阵元到第M-1个阵元接收到的信号；子阵列Yh由x轴方向线阵的第二到第M个阵元组成，即有：yh1(t)＝x2(t),yh2(t)＝x3(t),…,yh(M-1)(t)＝xM(t)其中，yh1(t),yh2(t),…,yh(M-1)(t)分别是子阵列Yh上第一个阵元到第M-1个阵元接收到的信号；x1(t),x2(t),…,xM(t)是x轴方向线阵中第一个阵元到第M个阵元的接收信号；对于子阵列Xh接收信号，以第一个阵元xh1为参考点，则第一个阵元接收的信号为：xh1(t)＝s(t)+nhx1(t)，其中s(t)表示目标信号，nhx1(t)表示子阵列Xh第一个阵元上的噪声；接收信号满足窄带条件，即当信号延迟远小于带宽倒数时，延迟作用相当于使基带信号产生一个相移；那么子阵列Xh上第m个阵元在同一时刻接收到的信号为：xhm(t)＝s(t)am(θx)+nhxm(t),m＝1,2,…,M-1其中am(θx)中v表示声波在探测路径上的速度，nhxm(t)表示子阵列Xh上第m个阵元上的噪声；由于子阵列Yh和子阵列Xh的相对平移矢量为d，那么子阵列Yh上第m个阵元在同一时刻接收到的信号为：其中nhym(t)表示子阵列Xh上第m个阵元上的噪声；将子阵列Xh和子阵列Yh上的各阵元的接收信号排列成列向量形式，则上面两式可写成矢量形式：Xh(t)＝Axs(t)+Nhx(t)(公式1)Yh(t)＝AxΦxs(t)+Nhy(t)(公式2)其中，为(M-1)×1的子阵列Xh导向矢量矩阵，Xh(t)＝[xh1(t),xh2(t),…,xh(M-1)(t)]T为(M-1)×1的子阵列Xh接收信号矩阵，Yh(t)＝[yh1(t),yh2(t),…,yh(M-1)(t)]T为(M-1)×1的子阵列Yh接收信号矩阵，Nhx(t)＝[nhx1(t),nhx2(t),…,nhx(M-1)(t)]T为(M-1)×1的子阵列Xh噪声矩阵，Nhy(t)＝[nhy1(t),nhy2(t),…,nhy(M-1)(t)]T为(M-1)×1的子阵列Yh噪声矩阵；Φx是把子阵Xh和Yh的输出联系起来的一个因子，称旋转算子，它包含了目标反射回来的信号波前在任意x轴方向线阵中一个阵元偶之间的相位延迟信息，表示为：对于y轴方向线阵，同样将其分为两个平移矢量为d的子阵列Xv和Yv；子阵列Xv由y轴方向线阵的第一到第M-1个阵元组成，则有：xv1(t)＝y1(t),xv2(t)＝y2(t),…,xv(M-1)(t)＝yM-1(t)其中，xv1(t),xv2(t),…,xv(M-1)(t)分别是子阵列Xv上第一个阵元到第M-1个阵元接收到的信号；子阵列Yv由y轴方向线阵的第二到第M个阵元组成，则有：yv1(t)＝y本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于三维正交阵的水下探测路径声速测量方法，其特征在于具体步骤包括以下几步：步骤一：建立三个两两正交的均匀线阵上的接收信号模型；步骤二：计算三个两两正交的均匀线阵上的旋转算子；步骤三：建立声波在三个两两正交的均匀线阵上三个方向角之间的关系；步骤四：根据三个方向角之间的关系求出探测路径上声速v的大小。

【技术特征摘要】
1.基于三维正交阵的水下探测路径声速测量方法，其特征在于具体步骤包括以下几步：步骤一：建立三个两两正交的均匀线阵上的接收信号模型；步骤二：计算三个两两正交的均匀线阵上的旋转算子；步骤三：建立声波在三个两两正交的均匀线阵上三个方向角之间的关系；步骤四：根据三个方向角之间的关系求出探测路径上声速v的大小。2.根据权利要求1所述的基于三维正交阵的水下探测路径声速测量方法，其特征在于步骤一具体包括：以三维正交的均匀线阵上的接收信号模型所在的直线上建立空间直角坐标系，空间直角坐标系三个轴分别为x、y、z；每个均匀线阵上都有M个接收阵元，M为正整数，且阵元间间距为d，窄带目标声源为S，中心频率为f，目标对应于x轴方向线阵的方向角为θx，对应于y轴方向线阵的方向角为θy，对应于z轴方向线阵的方向角为θz，其中x轴方向线阵的M个阵元为x1,x2,…,xM，y轴方向线阵的M个阵元为y1,y2,…,yM，z轴方向线阵为z1,z2,…,zM；将x轴方向线阵中的M个阵元分为平移矢量为d的两个子阵列Xh和Yh；子阵列Xh由x轴方向线阵中的第一到第M-1个阵元组成，即有：xh1(t)＝x1(t),xh2(t)＝x2(t),…,xh(M-1)(t)＝xM-1(t)其中，xh1(t),xh2(t),…,xh(M-1)(t)分别是子阵列Xh上第一个阵元到第M-1个阵元接收到的信号；子阵列Yh由x轴方向线阵的第二到第M个阵元组成，即有：yh1(t)＝x2(t),yh2(t)＝x3(t),…,yh(M-1)(t)＝xM(t)其中，yh1(t),yh2(t),…,yh(M-1)(t)分别是子阵列Yh上第一个阵元到第M-1个阵元接收到的信号；x1(t),x2(t),…,xM(t)是x轴方向线阵中第一个阵元到第M个阵元的接收信号；对于子阵列Xh接收信号，以第一个阵元xh1为参考点，则第一个阵元接收的信号为：xh1(t)＝s(t)+nhx1(t)，其中s(t)表示目标信号，nhx1(t)表示子阵列Xh第一个阵元上的噪声；接收信号满足窄带条件，即当信号延迟远小于带宽倒数时，延迟作用相当于使基带信号产生一个相移；那么子阵列Xh上第m个阵元在同一时刻接收到的信号为：xhm(t)＝s(t)am(θx)+nhxm(t),m＝1,2,…,M-1其中am(θx)中v表示声波在探测路径上的速度，nhxm(t)表示子阵列Xh上第m个阵元上的噪声；由于子阵列Yh和子阵列Xh的相对平移矢量为d，那么子阵列Yh上第m个阵元在同一时刻接收到的信号为：yhm(t)=s(t)ej2πfvdsinθxam(θx)+nhym(t),m=1,2,...,M-1]]>其中nhym(t)表示子阵列Xh上第m个阵元上的噪声；将子阵列Xh和子阵列Yh上的各阵元的接收信号排列成列向量形式，则上面两式可写成矢量形式：Xh(t)＝Axs(t)+Nhx(t)(公式1)Yh(t)＝AxΦxs(t)+Nhy(t)(公式2)其中，为(M-1)×1的子阵列Xh导向矢量矩阵，Xh(t)＝[xh1(t),xh2(t),…,xh(M-1)(t)]T为(M-1)×1的子阵列Xh接收信号矩阵，Yh(t)＝[yh1(t),yh2(t),…,yh(M-1)(t)]T为(M-1)×1的子阵列Yh接收信号矩阵，Nhx(t)＝[nhx1(t),nhx2(t),…,nhx(M-1)(t)]T为(M-1)×1的子阵列Xh噪声矩阵，Nhy(t)＝[nhy1(t),nhy2(t),…,nhy(M-1)(t)]T为(M-1)×1的子阵列Yh噪声矩阵；Φx是把子阵Xh和Yh的输出联系起来的一个因子，称旋转算子，它包含了目标反射回来的信号波前在任意x轴方向线阵中一个阵元偶之间的相位延迟信息，表示为：对于y轴方向线阵，同样将其分为两个平移矢量为d的子阵列Xv和Yv；子阵列Xv由y轴方向线阵的第一到第M-1个阵元组成，则有：xv1(t)＝y1(t),xv2(t)＝y2(t),…,xv(M-1)(t)＝yM-1(t)其中，xv1(t),xv2(t),…,xv(M-1)(t)分别是子阵列Xv上第一个阵元到第M-1个阵元接收到的信号；子阵列Yv由y轴方向线阵的第二到第M个阵元组成，则有：yv1(t)＝y2(t),yv2(t)＝y3(t),…,yv(M-1)(t)＝yM(t)其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁更新，王波文，钟英文，宁秋燕，张军，冯义志，季飞，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44