【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水下信息融合处理领域，涉及一种基于凸优化理论的海底声基阵阵形校准方法。
技术介绍
1、海底声基阵(又称水平阵)是一种由多个声学探测基元(例如光纤水听器)按照一定间距组合而成的水声探测装备，其通过波束形成技术增强目标信号的信噪比，可实现远程或弱水声目标检测。阵列基元之间的间距d与阵列中心工作频率fo密切相关，一般fo根据被探测目标的辐射噪声特性设置，因此海底水平阵组阵完成后，其基元间距d也是确定的(可作为先验信息)。但在海底水平阵的实际布放过程中，受布放船起伏运动(海面波浪的影响)、海流、海底地形等因素影响，真实的海底阵阵形与预设阵形的偏差是未知的，不准确的阵形参数会降低波束形成的阵增益。有研究表明，如果阵形误差超过处理信号波长的1/*10，则会带来超过1db的阵增益损失。因此，海底水平阵布放完成后，还需要采用声学手段进行阵形校准。
2、现有的阵形校准方法主要包括正则反演方法(参考文献：s.e.dosso etc.,arrayelement localization for horizontal arrays via occam’s inversion[j].j.acoust.soc.am.104,1998,pp.846–859)和优化搜索方法(参考文献：何琪,宫在晓,李风华等.浅海大孔径时钟弱同步阵列的信道匹配阵形校准[j].声学学报,48(1),2023第48卷第1期,pp.5-15；一种水平阵列阵元位置校准方法及系统[p],专利申请号202210800346.4，公开日：2022-09-06)两类。
3、此外，现有的阵形校准方法将阵列各基元当成独立节点进行位置估计，忽略了阵列基元间存在的固定距离差，即基元间距d这一先验信息。根据估计出的阵形计算基元间距时会出现明显大于或小于真实基元间距的情况，从物理上来解释意味着阵列被“拉断”或“重叠”了，这对于具有一定弯曲应力、非刚性的海底水平阵来说是不合理的。因此，阵形校准方法忽略基元间距信息会导致基元位置校准结果不准，精度仍有提升空间。
技术实现思路
1、为了更好地利用基元间距d这一先验信息提高海底水平阵的阵形校准精度，本专利技术提出一种基于凸优化理论的海底声基阵阵形校准方法，使用半正定规划方法构建凸优化问题求解模型，将基元间距值作为模型求解的约束条件，最后采用凸优化工具箱的内点法求解获得海底声基阵的阵形参数。
2、本专利技术采用的技术方案为，一种基于凸优化理论的海底声基阵阵形校准方法，分为以下步骤：
3、s1，以阵列布放入水点为中心，r为半径作圆，声源船拖曳中高频宽带声源在圆周上以固定周期t连续发射宽带阵形校准信号，海底声基阵全程接收并存储声信号：
4、记阵列布放入水点为o，设置半径为r，r＝3km～5km，以此确定声源校准船的航行轨迹s；声源船拖曳中高频宽带声源以周期t连续发射宽带阵形校准信号u(t)，t＝8s～12s；以线性调频信号为例(不仅限于)，u(t)可表示为：
5、u(t)＝a·rect(t/tp)cos[2π(fct+0.5γt2)] (1)
6、式中，a为信号幅度，rect(t/tp)表示脉冲宽度为tp的矩形函数，fc为载波中心频率，γ为调频斜率。
7、记声源校准船的开始发射时刻为t0，开始发射后以固定周期t连续发射，声源船在轨迹s上共发射n0次，n0＝2πr/(v·t)，v表示声源校准船的航速，v＝1.5m/s～3m/s，海底声基阵记录并存储接收到的声信号；
8、s2，根据发射信号和阵列接收信号计算时域相关波形集合，然后确定后续阵形校准用的校准声源时域相关波形集合，提取校准声源位置集合对应的时域相关波形集合的峰值作为校准声源和基元之间的到达时延，获得到达时延观测集；具体如下：
9、s2.1，以t0为起始时刻，截取长度为t，截取基元接收信号波形为si,n(t)＝u(t-τi,n)，i＝1,...,m，n＝1,...,n0，t∈[t0+(n-1)t,t0+nt]，i表示基元序号，m表示基元数目，n表示声源船发射宽带阵形校准信号的序号，τi,n＝||sn-ui||/ci表示声源船发射位置与基元之间的时延差，sn表示声源船第n次发射时所处位置，ui表示第i个基元的三维坐标，表示第i个基元在水平面上的二维坐标，xi,yi分别表示二维坐标的横纵坐标值，h为基元所处的平均深度值，采用测深仪实测获得，ci表示第i个基元接收到的信号在海水中的等效传播声速；记si,n(t)的频域表达式为si,n(w)，可直接采用傅里叶变换得到，w表示变换后的角频率自变量；
10、遵循最大信噪比原则设计匹配滤波器的频谱响应如下：
11、
12、其中b＝γtp为脉冲带宽，wo表示宽带阵形校准信号的中心角频率，ηo表示使滤波器物理可实现所附加的时延；阵列接收信号si,n(w)通过匹配滤波器后的输出频谱为yi,n(w)＝si,n(w)·h(w)，根据傅里叶反变换，通过匹配滤波器相关匹配后输出信号的时域相关波形为遍历所有i和n即获得时域相关波形集合；
13、s2.2，计算时域相关波形集合中每一个时域相关波形yi,n(t)的信噪比，所述信噪比为时域相关波形yi,n(t)的相关峰与本底噪声的db差值，选择信噪比大于u db(u的值根据实际情况人工设定，通常设定为6db)并且选择在轨迹s上相邻发射位置之间的距离差异起伏小于30％的时域相关波形组成后续阵形校准用的校准声源时域相关波形集合{yi,n′(t)，i＝1,...,m,n′＝1,...,n′}，n′≤n0表示从n0次发射中选出的n′次发射；
14、s2.3，提取阵形校准用的校准声源时域相关波形集合中每一个时域相关波形的最大峰值时刻与起始时刻的时延差(也即到达时延)ti,n′，遍历所有i和n′即可获得到达时延观测集{ti,n′，i＝1,...,m,n′＝1,...,n′}，可表示为：
15、
16、其中，为同步误差，为一个未知常数，sn′为声源船第n′次发射时所处位置的坐标，ni,n′表示时延提取的观测噪声；
17、s3，将s2获得的到达时延观测集{ti,n′，i＝1,...,m,n′＝1,...,n′}划分为基元到达时延观测子集，并在基元到达时延观测子集内部作差，获得基元到达时延差观测子集；具体如下：
18、将到达时延观测集{ti,n′，i＝1,...,m,n′＝1,...,n′}根据基元序号划分为基元到达时延观测子集(即选定某一个i)，选定第一个相关波形yi,1(t)的最大峰值时刻与起始时刻的时延差(也即到达时延)ti,1为参本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于凸优化理论的海底声基阵阵形校准方法，其特征在于，该方法分为以下步骤：
2.一种根据权利要求1所述基于凸优化理论的海底声基阵阵形校准方法，其特征在于：S1中，半径R＝3km～5km。
3.一种根据权利要求1所述基于凸优化理论的海底声基阵阵形校准方法，其特征在于：S1中，高频宽带声源连续发射宽带阵形校准信号的周期T＝8s～12s。
4.一种根据权利要求1所述基于凸优化理论的海底声基阵阵形校准方法，其特征在于：S1中，当宽带阵形校准信号为线性调频信号时，u(t)可表示为：
5.一种根据权利要求1所述基于凸优化理论的海底声基阵阵形校准方法，其特征在于：S1中，声源校准船的航速v＝1.5m/s～3m/s。
6.一种根据权利要求1所述基于凸优化理论的海底声基阵阵形校准方法，其特征在于：S2.2中，U设置为6dB。
7.一种根据权利要求1所述基于凸优化理论的海底声基阵阵形校准方法，其特征在于：S6中，代价函数中的惩罚因子λ取值范围为10-4～10-6。
8.一种根据权利要求1所述基于凸优化理论的海底
...【技术特征摘要】
1.一种基于凸优化理论的海底声基阵阵形校准方法，其特征在于，该方法分为以下步骤：
2.一种根据权利要求1所述基于凸优化理论的海底声基阵阵形校准方法，其特征在于：s1中，半径r＝3km～5km。
3.一种根据权利要求1所述基于凸优化理论的海底声基阵阵形校准方法，其特征在于：s1中，高频宽带声源连续发射宽带阵形校准信号的周期t＝8s～12s。
4.一种根据权利要求1所述基于凸优化理论的海底声基阵阵形校准方法，其特征在于：s1中，当宽带阵形校准信号为线性调频信号时，u(t)可表示为：
5.一种...
【专利技术属性】
技术研发人员：张兵兵，周泽民，朱家华，吴艳群，马燕新，胡正良，徐攀，朱敏，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：
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