一种高鲁棒性的水听器阵列测向系统装置及设计方法

1.本发明属于阵列信号处理领域，尤其涉及一种采用三元冗余阵排布的水听器阵列测向系统装置及设计方法。


背景技术：

2.波达方向估计是阵列信号处理领域的研究热点，广泛应用于声呐、通信、雷达等众多领域。被动声呐系统在水下导航、海洋开发、海底探索等领域具有重要价值，被动声呐系统本身不发射声波，通过水听器基阵接收水下目标产生的辐射噪声或者目标物主动发出的声信号，以此感知水下环境，进而实现对目标的方位估计。在声呐系统中，提高阵列分辨率、精确测量目标方位是不断要优化的目标，要实现上述目标，一个关键是要有性能稳定、可靠的水听器基阵。水听器基阵是指根据性能需求将多个水听器按照一定的规则排布而成的阵列，其基本形式包括水听器线阵，可以分为均匀线阵和稀疏线阵。传统的基阵往往采用均匀线阵,但是随着实际需求的变化与海洋工程的发展, 要求水听器基阵的阵元数目越来越多，阵列尺寸也越来越大，稀疏线阵因其分辨率和自由度的优势得到了广泛的应用。
3.稀疏线阵往往可利用个物理阵元获得长度为的中央连续段差分共阵，理论上能估计出个不相关的信源方向，但在实际应用中，由于水下条件复杂恶劣、阵元本身质量或阵元老化等因素影响，水听器基阵的阵元易发生故障，阵元故障通常会破坏稀疏阵的差分共阵结构，打破虚拟阵元的连续性，降低自由度数目，导致相关的doa估计方法性能下降甚至失效。尽管均匀线阵具有高度冗余和低脆弱性，但可估计的信源数十分有限，而其余稀疏线阵往往牺牲冗余追求高自由度，阵元故障时导致连续自由度数减少，降低了阵列的鲁棒性。现有稀疏阵列的设计基本上没有考虑到阵元故障时的情况，因此，阵元故障下阵列的鲁棒性还需要深入研究，设计一种阵元故障下能保持较长中央连续段差分共阵，具有高鲁棒性的水听器阵列是有必要的。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种高鲁棒性的采用三元冗余阵排布的水听器阵列测向系统装置及设计方法，旨在解决阵元出现故障时稀疏线阵的差分共阵结构易遭受破坏、自由度急剧减少、测向精度降低等问题。
5.为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的，包括：（1）水听器阵列，根据实际需要选择合适的水听器个数，并采用三元冗余阵排布方式挂载在rs485总线上，用来采集目标信号。
6.（2）485模块，采用sp3485芯片作为485通信的收发器，该模块与rx485总线连接，在其传输线上可连接多个水听器接收节点。
7.（3）主控模块，核心处理器选择tms系列dsp处理器 tms320f28335,设定空间平滑music程序对接收数据进行处理，计算出空间谱和波达方向。主控模块通过rs485总线向水
听器发送触发信号使其开始或停止采集，当水听器处于上传数据模式且开始采集后，主控模块以应答方式依次命令各个水听器上传数据。
8.（4）人机交互显示终端，采用金鹏实业有限公司的c系列彩屏智能终端液晶显示器，它具有32位arm处理器和fpga双核控制架构，dsp芯片通过串口连接显示屏，实现终端人机交互和数据的实时显示，并通过操作页面进行参数设置，如设备的开关机、水听器阵列的投放与收回、采样的开始与停止、dsp处理器的处理精度、运算次数等，显示目标信号的入射波达方向。
9.（5）太阳能供电模块，利用太阳能发电板进行发电，太阳能充电管理芯片选用cn3791，将电能储存到蓄电池中，通过降压稳压为所有其它模块供电，进而节约能源。
10.为了提升本发明测向系统的鲁棒性和精度，设计了一种三元冗余水听器排布方式， 包括以下步骤：（1）用表示阵元间距的基本单元，通常将其取为半波长，即，表示阵列入射信号的波长。
11.（2）根据实际需求设定水听器阵列总阵元数，且，由,,，求得三个子阵的阵元数、和。
12.（3）选取个水听器以间距按直线形排列构成子阵1，选取个水听器以间距按直线形排列构成子阵2，选取个水听器以间距按直线型排列构成子阵3，且子阵1和子阵2间隔为,子阵2和子阵3间隔为。即阵元间距集合为以上是阵元间距集合l计算公式。
13.（4）将三段均匀线阵排列组成三元冗余稀疏线阵，水听器阵列中各物理阵元位置可表示为：以上是阵元位置s计算公式。
14.上述三元冗余阵，可通过计算获得所述阵列的虚拟差分共阵位置，且该阵列的差分共阵是连续无孔的，自由度为。对于三元冗余阵的差分共阵，在和位置处的虚拟阵元权重为1，在和位置处的虚拟阵元权重为2，其余在内的虚拟阵元权重均大于2。
15.本发明的显著进步和创造性技术特点是：技术路线采用具有性能稳定可靠的三元冗余阵排布的水听器基阵；实现的技术目的是：在阵元故障下，该接收基阵具有稳定的差分共阵和高连续自由度；有益效果是：本发明系统在对水下目标探测方位时，本发明系统装置
及设计方法具有高鲁棒性和高测向精度；解决阵元出现故障时稀疏线阵的差分共阵结构易遭受破坏、自由度急剧减少、测向精度降低等问题。
附图说明
16.图1是本发明实际场景应用图。
17.图2为本发明水听器阵列测向系统装置组成框图。
18.图3为本发明系统三元冗余阵的结构示意图。
19.图4为本发明三元冗余阵的权重及阵元重要性示意图。
20.图5为本发明三元冗余阵与其他阵列的连续自由度随故障率变化对比图。
21.图6为本发明三元冗余阵与其他阵列的波达方向估计均方根误差随故障率的变化对比图。
22.图7为在一定故障率下，本发明三元冗余阵与其他阵列波达方向估计误差对比图。
23.图中：1. 处理装置，处理装置包括主控模块、人机交互显示终端、太阳能供电模块， 2. 水听器基阵，3. 水下目标。
具体实施方式
24.下面结合附图及实施例对本发明的内容做进一步的说明。
25.图1给出了本发明的一种高鲁棒性的水听器阵列测向系统装置实际场景应用图。本系统的接收水听器基阵布置在水下，处理装置布放在水面的探测船只上，水听器基阵接收来自水下目标主动发出的信号，通过485模块连接主控模块，进行数据处理变换，计算出水下目标方位， 将结果传给人机交互显示终端。
26.图2给出了本发明的水听器阵列测向系统装置组成框图。该系统包括接收水听器阵列、485模块、主控模块、人机交互显示终端、太阳能供电模块。水听器阵列，根据环境及需求确定需要的阵元数，按三元冗余稀疏线阵进行排布，以总线方式连接。485模块，采用sp3485芯片作为485通信的收发器与rx485总线连接，在其传输线上可连接多个水听器接收节点。主控模块，核心处理器选择tms系列dsp处理器 tms320f28335，设定空间平滑music程序对接收数据进行处理，计算出空间谱和波达方向，主控模块通过rs485总线向水听器发送触发信号使其开始或停止采集，当水听器处于上传数据模式且开始采集后，主控模块以应答方式依次命令各个水听器上传数据。 人机交互显示终端，采用金鹏实业有限公司的c系列彩屏智能终端液晶显示器，它具有32位arm处理器和fpga双核控制架构，dsp芯片通过串口连接显示屏，实现终端人机交互和数据的实时显示，并通过操作页面进行参数设置，如设备的开关机、水听器阵列的投放与收回、采样的开始与停止、dsp处理器的处理精度、运算次数等，显示目标信号的入射波达方向。太阳能供电模块，利用太阳能发电板进行发电，太阳能充电管理芯片选用cn3791，将电能储存到蓄电池中，通过降压稳压为整个系统供电，进而节约能源。
27.图3给出了三元冗余阵的结构示意图，以水听器个数为17为例，对本发明的三元冗余阵构建进行详细说明。
28.步骤一：计算入射信号波长，用表示阵元间距的基本单元，将其取为半波长，即。
29.步骤二：根据水听器总个数和阵元参数关系式,,，确定三个子阵的阵元数、和，本实施例中取。
30.步骤三：将6个水听器以间距按直线形排列成子阵1，将7个水听器以间距按直线形排列成子阵2，将4个水听器以间距按直线形排列成子阵3，最后将子阵1与子阵2间隔、子阵2与子阵3间隔排列成直线。
31.步骤四：确定水听器基阵中各物理阵元的位置图4给出了水听器个数为17时，本发明三元冗余阵的权重及阵元重要性示意图。由图4(a)知三元冗余阵兼顾了自由度和冗余性，对于三元冗余阵的差分共阵，除左右最外侧各4个虚拟阵元权重小于3外，其余虚拟阵元位置的权重均大于等于3。由图4(b)知三元冗余阵中除了首尾阵元重要性较高外，其余大部分阵元的重要性不高，阵元的重要性越低，表明阵元相对不重要，即使阵元故障时，改变差分共阵的程度也越低，保证了差分共阵的稳定性，在一定程度上提高了本发明阵列测向系统的鲁棒性。
32.图5给出了水听器个数为17时，本发明三元冗余阵与均匀线阵（uniform linear array, ula）、扩展互质阵（extended coprime array, eca）、补充互质阵（complementary coprime array，cca）、最大间距约束阵列（maximum inter-element spacing constraint array，misc）、嵌套阵（nested array，na）、二阶超级嵌套阵（second-order super nested array，sna2）这六种线阵的平均连续自由度随故障率变化对比图。从图5可以看出，在阵元随机故障下，随故障率的增大，各阵型的平均连续自由度均逐渐减少。当随机故障率在0.08至0.3范围内，本发明阵列具有最高的连续自由度，这是由于三元冗余阵本身兼顾了自由度和冗余性，即使阵元故障，其差分共阵仍能保持较长的中央连续段；而其余稀疏线阵和均匀线阵主要考虑到自由度和冗余性中的一个指标，在阵元故障下具有较低的连续自由度。
33.图6给出了本发明三元冗余阵与其余六种线阵的波达方向估计均方根误差随故障率的变化曲线图，其中设水听器个数为17，有13个均匀分布在内的入射信源，信噪比为5db，信号处理的快拍数为3000，故障率从5%增大至30%，每个故障率下进行20000次蒙特卡洛实验，利用空间平滑music算法进行波达方向估计。由图6可知，在故障率0.05至0.3整个区间内，随故障率的增大，各阵列的估计误差均越来越大，其中本发明阵列具有最优的估计性能，这是由于三元冗余阵兼具了冗余性和自由度，在阵元随机故障下仍具有较高的连续自由度。
34.图7给出在水听器故障率为0.2时，基于三元冗余阵的本发明测向系统得到的波达方向估计误差图，同时给出了利用其他阵列测向的估计误差曲线。其中，取水听器个数为17，有10个均匀分布在的入射信源，信噪比为5db，快拍数设置为从500增加至3500，进行20000次蒙特卡洛实验。由图7可知，随快拍数不断增大，各阵列的波达方向估计精度均提高，其中基于本发明三元冗余阵测向的估计误差最小，具有最高的测向精度。
35.综上所述，在水下目标探测中，当水听器出现随机故障时，本发明的水听器阵列测向系统装置在测定目标方位和鲁棒性方面具有优越的性能。