本發(fā)明涉及聲速測(cè)量的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種基于三維正交陣的水下探測(cè)路徑速度測(cè)量方法及裝置。

背景技術(shù)：

海水聲速，即聲波在海洋中的傳播速度，它不僅是水聲學(xué)研究中的一個(gè)重要參數(shù)，而且越來(lái)越明顯地被列為海洋學(xué)的基本要素之一。水聲探測(cè)是獲取海洋信息的基本手段，其中水下目標(biāo)定位是水聲探測(cè)中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，它能從定位中獲得水下目標(biāo)的距離和方位等信息。在進(jìn)行水下目標(biāo)定位時(shí)，探測(cè)路徑聲速往往影響著最終的目標(biāo)定位結(jié)果，對(duì)聲速測(cè)量的不精準(zhǔn)都會(huì)導(dǎo)致不精確的定位。而在一些經(jīng)典的水下目標(biāo)定位方法，如MUSIC算法和ESPRIT算法中，每條探測(cè)路徑上的聲速都是利用一片海水區(qū)域內(nèi)的聲速來(lái)代替估計(jì)得到的，并且是相同的，但海水環(huán)境復(fù)雜，且受水流因素影響較大，每一條探測(cè)路徑上的聲速其實(shí)是不一樣的，即對(duì)探測(cè)路徑聲速的估計(jì)是不精準(zhǔn)的，這使得這些目標(biāo)定位方法得不到很好的利用。因此，精準(zhǔn)的水下探測(cè)路徑速度測(cè)量對(duì)目標(biāo)定位至關(guān)重要。

目前，海水聲速測(cè)量方法按照測(cè)量方式主要分為直接法和間接法兩種方法。直接法是用水聲設(shè)備直接在海洋現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量海水聲速，它可分為時(shí)差法、共振聲譜法、駐波干涉法與相位比較法等方法。直接法雖然操作較簡(jiǎn)便，但需在目標(biāo)位置已知的情況下才能對(duì)一條路徑上的聲速進(jìn)行測(cè)量，如時(shí)差法，它必須在目標(biāo)與接收源距離已知的情況下進(jìn)行測(cè)量，而在進(jìn)行水下探測(cè)時(shí)，目標(biāo)位置都是未知的，這使得直接法在目標(biāo)定位中的水下探測(cè)路徑聲速測(cè)量中失去了實(shí)用性。間接法則是根據(jù)海水中的深度、溫度和鹽度三個(gè)主要影響海水聲速大小的因素，經(jīng)過(guò)成百上千次的分析和實(shí)踐，提出一種經(jīng)驗(yàn)公式，利用此經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)測(cè)量海水聲速。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式的不同，間接法可分為Del Grosso聲速算法、Wilson聲速算法和Chen-Millero-Li聲速算法三種聲速算法。然而間接法測(cè)量的是一個(gè)聲速分布較均勻的海水環(huán)境中的聲波速度，它測(cè)量的并不是一條路徑上的聲速大小，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)聲速；同時(shí)，間接法也需要在目標(biāo)位置已知的情況下才能進(jìn)行測(cè)量，這使得間接法在目標(biāo)定位中的水下探測(cè)路徑聲速測(cè)量中同樣不具有實(shí)用性。

為了克服直接法和間接法存在的局限性，本發(fā)明使用三個(gè)兩兩正交的均勻線陣作為接收陣列，利用從目標(biāo)反射回來(lái)的聲波在三個(gè)陣列中形成的方向角間的關(guān)系，得到探測(cè)路徑聲速與三個(gè)旋轉(zhuǎn)算子之間的關(guān)系式，然后計(jì)算出在目標(biāo)和接收源之間的探測(cè)路徑上聲速的大小，實(shí)現(xiàn)了在目標(biāo)定位中對(duì)水下探測(cè)路徑聲速的精準(zhǔn)測(cè)量。因此，本專利方法在水下探測(cè)路徑聲速測(cè)量中更具有實(shí)用性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有方法存在的各種不足，提供一種基于三維正交陣的水下探測(cè)路徑聲速測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)在水下目標(biāo)定位中對(duì)探測(cè)路徑上聲速的大小進(jìn)行精確的測(cè)量。

另外，本發(fā)明另一目的在于提供一種基于三維正交陣的水下探測(cè)路徑聲速測(cè)量裝置。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明至少可通過(guò)以下技術(shù)方案之一實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明方法的原理是基于空間直角坐標(biāo)系中任一一條直線與三條軸形成的夾角余弦值的平方和等于1的這個(gè)關(guān)系式，得出從目標(biāo)反射回來(lái)的聲波在三個(gè)兩兩正交的均勻線陣上形成的方向角正弦值的平方和等于1的關(guān)系，然后利用這個(gè)關(guān)系推導(dǎo)出含有三個(gè)旋轉(zhuǎn)算子的探測(cè)路徑聲速表達(dá)式，最后通過(guò)計(jì)算三個(gè)均勻線陣上的旋轉(zhuǎn)算子來(lái)求得最終探測(cè)路徑聲速大小的。

基于三維正交陣的水下探測(cè)路徑聲速測(cè)量方法，其具體步驟包括以下幾步：

步驟一：建立三個(gè)兩兩正交的均勻線陣上的接收信號(hào)模型；

步驟二：計(jì)算三個(gè)兩兩正交的均勻線陣上的旋轉(zhuǎn)算子；

步驟三：建立聲波在三個(gè)兩兩正交的均勻線陣上三個(gè)方向角之間的關(guān)系；

步驟四：根據(jù)三個(gè)方向角之間的關(guān)系求出探測(cè)路徑上聲速v的大小。

進(jìn)一步地，步驟一具體包括：

以三維正交的均勻線陣上的接收信號(hào)模型所在的直線上建立空間直角坐標(biāo)系，空間直角坐標(biāo)系三個(gè)軸分別為x、y、z；每個(gè)均勻線陣上都有M個(gè)接收陣元，M為正整數(shù)，且陣元間間距為d，窄帶目標(biāo)聲源為S，中心頻率為f，目標(biāo)對(duì)應(yīng)于x軸方向線陣的方向角為θ_x，對(duì)應(yīng)于y軸方向線陣的方向角為θ_y，對(duì)應(yīng)于z軸方向線陣的方向角為θ_z，其中x軸方向線陣的M個(gè)陣元為x₁,x₂,…,x_M，y軸方向線陣的M個(gè)陣元為y₁,y₂,…,y_M，z軸方向線陣為z₁,z₂,…,z_M；

將x軸方向線陣中的M個(gè)陣元分為平移矢量為d的兩個(gè)子陣列X_h和Y_h；子陣列X_h由x軸方向線陣中的第一到第M-1個(gè)陣元組成，即有：

x_h1(t)＝x₁(t),x_h2(t)＝x₂(t),…,x_h(M-1)(t)＝x_M-1(t)

其中，x_h1(t),x_h2(t),…,x_h(M-1)(t)分別是子陣列X_h上第一個(gè)陣元到第M-1個(gè)陣元接收到的信號(hào)；

子陣列Y_h由x軸方向線陣的第二到第M個(gè)陣元組成，即有：

y_h1(t)＝x₂(t),y_h2(t)＝x₃(t),…,y_h(M-1)(t)＝x_M(t)

其中，y_h1(t),y_h2(t),…,y_h(M-1)(t)分別是子陣列Y_h上第一個(gè)陣元到第M-1個(gè)陣元接收到的信號(hào)；

x₁(t),x₂(t),…,x_M(t)是x軸方向線陣中第一個(gè)陣元到第M個(gè)陣元的接收信號(hào)；

對(duì)于子陣列X_h接收信號(hào)，以第一個(gè)陣元x_h1為參考點(diǎn)，則第一個(gè)陣元接收的信號(hào)為：

x_h1(t)＝s(t)+n_hx1(t)，

其中s(t)表示目標(biāo)信號(hào)，n_hx1(t)表示子陣列X_h第一個(gè)陣元上的噪聲；

接收信號(hào)滿足窄帶條件，即當(dāng)信號(hào)延遲遠(yuǎn)小于帶寬倒數(shù)時(shí)，延遲作用相當(dāng)于使基帶信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)相移；那么子陣列X_h上第m個(gè)陣元在同一時(shí)刻接收到的信號(hào)為：

x_hm(t)＝s(t)a_m(θ_x)+n_hxm(t),m＝1,2,…,M-1

其中a_m(θ_x)中v表示聲波在探測(cè)路徑上的速度，n_hxm(t)表示子陣列X_h上第m個(gè)陣元上的噪聲；

由于子陣列Y_h和子陣列X_h的相對(duì)平移矢量為d，那么子陣列Y_h上第m個(gè)陣元在同一時(shí)刻接收到的信號(hào)為：

其中n_hym(t)表示子陣列X_h上第m個(gè)陣元上的噪聲；

將子陣列X_h和子陣列Y_h上的各陣元的接收信號(hào)排列成列向量形式，則上面兩式可寫(xiě)成矢量形式：

X_h(t)＝A_xs(t)+N_hx(t) (公式1)

Y_h(t)＝A_xΦ_xs(t)+N_hy(t) (公式2)

其中，為(M-1)×1的子陣列X_h導(dǎo)向矢量矩陣，

X_h(t)＝[x_h1(t),x_h2(t),…,x_h(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列X_h接收信號(hào)矩陣，

Y_h(t)＝[y_h1(t),y_h2(t),…,y_h(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列Y_h接收信號(hào)矩陣，

N_hx(t)＝[n_hx1(t),n_hx2(t),…,n_hx(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列X_h噪聲矩陣，

N_hy(t)＝[n_hy1(t),n_hy2(t),…,n_hy(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列Y_h噪聲矩陣；

Φ_x是把子陣X_h和Y_h的輸出聯(lián)系起來(lái)的一個(gè)因子，稱旋轉(zhuǎn)算子，它包含了目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)波前在任意x軸方向線陣中一個(gè)陣元偶之間的相位延遲信息，表示為：

對(duì)于y軸方向線陣，同樣將其分為兩個(gè)平移矢量為d的子陣列X_v和Y_v；子陣列X_v由y軸方向線陣的第一到第M-1個(gè)陣元組成，則有：

x_v1(t)＝y(tǒng)₁(t),x_v2(t)＝y(tǒng)₂(t),…,x_v(M-1)(t)＝y(tǒng)_M-1(t)

其中，x_v1(t),x_v2(t),…,x_v(M-1)(t)分別是子陣列X_v上第一個(gè)陣元到第M-1個(gè)陣元接收到的信號(hào)；

子陣列Y_v由y軸方向線陣的第二到第M個(gè)陣元組成，則有：

y_v1(t)＝y(tǒng)₂(t),y_v2(t)＝y(tǒng)₃(t),…,y_v(M-1)(t)＝y(tǒng)_M(t)

其中，y_v1(t),y_v2(t),…,y_v(M-1)(t)分別是子陣列Y_v上第一個(gè)陣元到第M-1個(gè)陣元接收到的信號(hào)；

y₁(t),y₂(t),…,y_M(t)是y軸方向線陣中第一個(gè)陣元到第M個(gè)陣元的接收信號(hào)；

以第一個(gè)陣元x_v1為參考陣元，那么子陣列X_v和子陣列Y_v中第m個(gè)陣元的接收信號(hào)分別為：

x_vm(t)＝s(t)a_m(θ_y)+n_vxm(t),m＝1,2,…,M-1

其中n_vxm(t)和n_vym(t)分別為子陣X_v和Y_v上第m個(gè)陣元的加性噪聲；將上式寫(xiě)成矢量形式有：

X_v(t)＝A_ys(t)+N_vx(t) (公式4)

Y_v(t)＝A_yΦ_ys(t)+N_vy(t) (公式5)

其中，為(M-1)×1的子陣列X_v導(dǎo)向矢量矩陣，

X_v(t)＝[x_v1(t),x_v2(t),…,x_v(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列X_v接收信號(hào)矩陣，

Y_v(t)＝[y_v1(t),y_v2(t),…,y_v(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列Y_v接收信號(hào)矩陣，

N_vx(t)＝[n_vx1(t),n_vx2(t),…,n_vx(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列X_v噪聲矩陣，

N_vy(t)＝[n_vy1(t),n_vy2(t),…,n_vy(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列Y_v噪聲矩陣；

同樣，Φ_y是把子陣X_v和Y_v的輸出聯(lián)系起來(lái)的一個(gè)因子，也稱旋轉(zhuǎn)算子，它包含了目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)波前在任意y軸方向線陣中一個(gè)陣元偶之間的相位延遲信息，表示為：

對(duì)于z軸方向線陣，同樣將其分為兩個(gè)平移矢量為d的子陣列X_g和Y_g；子陣列X_g由z軸方向線陣的第一到第M-1個(gè)陣元組成，則有：

x_g1(t)＝z₁(t),x_g2(t)＝z₂(t),…,x_g(M-1)(t)＝z_M-1(t)

其中，x_g1(t),x_g2(t),…,x_g(M-1)(t)分別是子陣列X_g上第一個(gè)陣元到第M-1個(gè)陣元接收到的信號(hào)；

子陣列Y_g由z軸方向線陣的第二到第M個(gè)陣元組成，則有：

y_g1(t)＝z₂(t),y_g2(t)＝z₃(t),…,y_g(M-1)(t)＝z_M(t)

其中，y_g1(t),y_g2(t),…,y_g(M-1)(t)分別是子陣列Y_g上第一個(gè)陣元到第M-1個(gè)陣元接收到的信號(hào)；

z₁(t),z₂(t),…,z_M(t)是z軸方向線陣中第一個(gè)陣元到第M個(gè)陣元的接收信號(hào)；

以第一個(gè)陣元x_g1為參考陣元，那么子陣列X_g和子陣列Y_g中第m個(gè)陣元的接收信號(hào)分別為：

x_gm(t)＝s(t)a_m(θ_z)+n_gxm(t),m＝1,2,…,M-1

其中n_gxm(t)和n_gym(t)分別為子陣X_g和Y_g上第m個(gè)陣元的加性噪聲，將上式寫(xiě)成矢量形式有：

X_g(t)＝A_zs(t)+N_gx(t) (公式7)

Y_g(t)＝A_zΦ_zs(t)+N_gy(t) (公式8)

其中，為(M-1)×1的子陣列X_g導(dǎo)向矢量矩陣，

X_g(t)＝[x_g1(t),x_g2(t),…,x_g(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列X_g接收信號(hào)矩陣，

Y_g(t)＝[y_g1(t),y_g2(t),…,y_g(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列Y_g接收信號(hào)矩陣，

N_gx(t)＝[n_gx1(t),n_gx2(t),…,n_gx(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列X_g噪聲矩陣，

N_gy(t)＝[n_gy1(t),n_gy2(t),…,n_gy(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列Y_g噪聲矩陣；

同樣，Φ_z是把子陣X_g和Y_g的輸出聯(lián)系起來(lái)的一個(gè)因子，也稱旋轉(zhuǎn)算子，它包含了目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)波前在任意z軸方向線陣中一個(gè)陣元偶之間的相位延遲信息，表示為：

進(jìn)一步地，步驟二具體包括：

對(duì)于x軸方向線陣，計(jì)算X_h(t)的協(xié)方差矩陣R_hxx與X_h(t)和Y_h(t)的互協(xié)方差矩陣R_hxy，然后對(duì)其進(jìn)行特征值分解得到最小特征值為σ_x²，利用σ_x²計(jì)算C_hxx＝R_hxx-σ_x²I和C_hxy＝R_hxy-σ_x²Z，其中I是(M-1)×(M-1)階的單位矩陣，Z也是(M-1)×(M-1)階的矩陣，并且

最后計(jì)算矩陣束{C_hxx,C_hxy}的廣義特征值分解，得到非零特征值λ_x,此特征值就是x軸方向線陣旋轉(zhuǎn)算子的值，即：

對(duì)于y軸方向線陣，同樣計(jì)算X_v(t)的協(xié)方差矩陣R_vxx與X_v(t)和Y_v(t)的互協(xié)方差矩陣R_vxy，然后對(duì)其進(jìn)行特征值分解得到最小特征值為σ_y²，利用σ_y²計(jì)算C_vxx＝R_vxx-σ_y²I和C_vxy＝R_vxy-σ_y²Z；最后計(jì)算矩陣束{C_vxx,C_vxy}的廣義特征值分解，得到非零特征值λ_y,此特征值就是y軸方向線陣的旋轉(zhuǎn)算子的值，即：

對(duì)于z軸方向線陣，同樣計(jì)算X_g(t)的協(xié)方差矩陣R_gxx與X_g(t)和Y_g(t)的互協(xié)方差矩陣R_gxy，然后對(duì)其進(jìn)行特征值分解得到最小特征值為σ_z²，利用σ_z²計(jì)算C_gxx＝R_gxx-σ_z²I和C_gxy＝R_gxy-σ_z²Z。最后計(jì)算矩陣束{C_gxx,C_gxy}的廣義特征值分解，得到非零特征值λ_z,此特征值就是z軸方向線陣上的旋轉(zhuǎn)算子的值，即：

進(jìn)一步地，步驟三具體包括：

假設(shè)聲波與x軸方向線陣形成的夾角為α，與y軸方向線陣形成的夾角為β，與z軸方向線陣形成的夾角為γ，空間直角角坐標(biāo)系的原點(diǎn)為O，三個(gè)線陣在坐標(biāo)軸上分別的設(shè)OD所在直線即為聲波入射方向，將其轉(zhuǎn)換到空間直角坐標(biāo)系中；

聲波入射方向上的一個(gè)點(diǎn)D在各線陣即各坐標(biāo)軸上的正投影為點(diǎn)A、B、C，則有：

進(jìn)一步有：

而方向角的大小是聲波與線陣法線之間的夾角大小，并且當(dāng)聲波到達(dá)的第一個(gè)陣元不是線陣的參考陣元時(shí)，時(shí)延參數(shù)τ是小于0，又因?yàn)樗源藭r(shí)方向角是負(fù)值，于是就有：

根據(jù)以上三個(gè)關(guān)系式子，則可得：

cos²α＝sin²θ_x，cos²β＝sin²θ_y，cos²γ＝sin²θ_z

將上式帶入公式(13)得：

sin²θ_x+sin²θ_y+sin²θ_z＝1 (公式14)。

進(jìn)一步地，步驟四具體包括：

聯(lián)立公式(10)，公式(11)，公式(12)和公式(14)消去θ_x，θ_y和θ_z可得：

整理可得速度v的最終表達(dá)為：

利用三個(gè)兩兩正交的均勻線陣接收到的聲波信號(hào)求出三個(gè)旋轉(zhuǎn)算子的值即λ_x、λ_y和λ_z，然后將其帶入公式(16)便可計(jì)算出探測(cè)路徑上聲速v的大小，即能在目標(biāo)定位中對(duì)水下探測(cè)路徑聲速進(jìn)行精確的測(cè)量。

進(jìn)一步地，當(dāng)有多個(gè)目標(biāo)即對(duì)應(yīng)有多條探測(cè)路徑時(shí)，每個(gè)均勻線陣上的旋轉(zhuǎn)算子是一個(gè)對(duì)角矩陣，每一個(gè)對(duì)角元素都對(duì)應(yīng)于一個(gè)目標(biāo)，求得的特征值也有多個(gè)，它們一一對(duì)應(yīng)著對(duì)角矩陣上的對(duì)角元素，最后利用這些特征值可以求得每條探測(cè)路徑上的聲波速度。

實(shí)現(xiàn)所述基于三維正交陣的水下探測(cè)路徑聲速測(cè)量方法的裝置，其包括處理與控制模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊和外設(shè)接口；處理與控制模塊由一個(gè)處理器組成，并且與A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊和外設(shè)接口相連；處理器將設(shè)置的控制參數(shù)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，從而控制發(fā)射模塊，使發(fā)射模塊發(fā)射指定的聲波信號(hào)；同時(shí)，還能夠?qū)慕邮漳K傳送回來(lái)并經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，然后計(jì)算出精確的水下探測(cè)路徑聲速大?。惶幚砥鬟€能夠?qū)⑻幚砗玫臄?shù)據(jù)傳送給外設(shè)接口，再通過(guò)有線接口或者無(wú)線接口傳送到外部裝置；

發(fā)射模塊由一個(gè)阻抗匹配電路和一個(gè)超聲波發(fā)送探頭組成，并且與A/D轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊相連；發(fā)射模塊能夠根據(jù)處理與控制模塊發(fā)出并經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的指令，進(jìn)行超聲發(fā)射；

接收模塊由三維正交的超聲波接收探頭陣列組成，發(fā)射模塊也自身含有阻抗匹配電路，并與A/D轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊相連；發(fā)射模塊能夠接收從目標(biāo)發(fā)射回來(lái)的信號(hào)，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊傳送給處理與控制模塊；

A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器與處理與控制模塊、發(fā)射模塊和接收模塊相連；A/D轉(zhuǎn)換器將接收模塊接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并傳遞給處理與控制模塊進(jìn)行處理；D/A轉(zhuǎn)換器將處理與控制模塊發(fā)出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并傳送發(fā)射模塊使其發(fā)射指定的聲波；

外設(shè)接口由一個(gè)有線接口和無(wú)線接口組成，并且與處理與控制模塊和電源模塊相連，夠提供人機(jī)交互，將處理與控制模塊中處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)有線接口或無(wú)線接口傳送到外部裝置；

電源模塊與處理與控制模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊和外設(shè)接口相連。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明相比于現(xiàn)有的直接測(cè)量法，本發(fā)明可以在目標(biāo)定位中對(duì)水下探測(cè)路徑聲速進(jìn)行測(cè)量，克服了直接法需要在目標(biāo)位置已知情況下才能對(duì)一條路徑上的聲速進(jìn)行測(cè)量的局限性，因此本發(fā)明算法在水下探測(cè)路徑聲速測(cè)量中更具有實(shí)用性。同時(shí)本發(fā)明的裝置設(shè)備較直接法簡(jiǎn)單，且操作方便。

2、本發(fā)明相比于現(xiàn)有的間接測(cè)量法，本發(fā)明可以對(duì)一條探測(cè)路徑上的聲速進(jìn)行測(cè)量，而不是像間接法測(cè)量的只是一個(gè)聲速分布較均勻的海水環(huán)境中的聲速，因此，在水下探測(cè)路徑聲速的測(cè)量中本算法更具實(shí)用性。同時(shí)，本發(fā)明的測(cè)量方法不受海水環(huán)境的影響，無(wú)需對(duì)水的深度、溫度和鹽度進(jìn)行測(cè)量，操作較直接法簡(jiǎn)便。

3、本發(fā)明的運(yùn)算量和復(fù)雜度都相對(duì)適中，從而保證了算法的可行性。

4、本發(fā)明裝置可行性強(qiáng)，安裝簡(jiǎn)單。除此之外，現(xiàn)代處理器計(jì)算處理能力的不斷提高，這使得本發(fā)明所使用的處理器等芯片的集成度高，并且計(jì)算能力強(qiáng)，從而保證了本發(fā)明的可行性。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)例中測(cè)量裝置的硬件結(jié)構(gòu)模塊圖。

圖2為實(shí)例中三維正交的超聲波接收探頭陣列模型圖。

圖3為本發(fā)明所用的三維正交均勻線陣模型。

圖4為x軸方向線陣中子陣列X_h的接收信號(hào)的示意圖。

圖5為空間直角坐標(biāo)系中聲波與三個(gè)線陣所成夾角示意圖。

圖6為本發(fā)明算法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

如圖6，基于三維正交陣的水下探測(cè)路徑聲速測(cè)量方法，具體步驟包括以下幾步：

步驟一：推導(dǎo)三個(gè)兩兩正交的均勻線陣上的接收信號(hào)模型。

三維正交的均勻線陣模型場(chǎng)景如圖3所示，并以它們所在的直線上建立空間直角坐標(biāo)系。每個(gè)均勻線陣上都有M個(gè)接收陣元，且陣元間間距為d，窄帶目標(biāo)聲源為S，中心頻率為f，目標(biāo)對(duì)應(yīng)于x軸方向線陣的方向角為θ_x，對(duì)應(yīng)于y軸方向線陣的方向角為θ_y，對(duì)應(yīng)于z軸方向線陣的方向角為θ_z。其中x軸方向線陣的M個(gè)陣元為x₁,x₂,…,x_M，y軸方向線陣的M個(gè)陣元為y₁,y₂,…,y_M，z軸方向線陣為z₁,z₂,…,z_M。

將x軸方向線陣中的M個(gè)陣元分為平移矢量為d的兩個(gè)子陣列X_h和Y_h。子陣列X_h由x軸方向線陣中的第一到第M-1個(gè)陣元組成，即有：

x_h1(t)＝x₁(t),x_h2(t)＝x₂(t),…,x_h(M-1)(t)＝x_M-1(t)

其中，x_h1(t),x_h2(t),…,x_h(M-1)(t)分別是子陣列X_h上第一個(gè)陣元到第M-1個(gè)陣元接收到的信號(hào)。

子陣列Y_h由x軸方向線陣的第二到第M個(gè)陣元組成，即有：

y_h1(t)＝x₂(t),y_h2(t)＝x₃(t),…,y_h(M-1)(t)＝x_M(t)

其中，y_h1(t),y_h2(t),…,y_h(M-1)(t)分別是子陣列Y_h上第一個(gè)陣元到第M-1個(gè)陣元接收到的信號(hào)。

x₁(t),x₂(t),…,x_M(t)是x軸方向線陣中第一個(gè)陣元到第M個(gè)陣元的接收信號(hào)。

子陣列X_h接收信號(hào)的示意圖如圖4所示。以第一個(gè)陣元x_h1為參考點(diǎn)，則第一個(gè)陣元接收的信號(hào)為：

x_h1(t)＝s(t)+n_hx1(t)

其中s(t)表示目標(biāo)信號(hào)，n_hx1(t)表示子陣列X_h第一個(gè)陣元上的噪聲。

接收信號(hào)滿足窄帶條件，即當(dāng)信號(hào)延遲遠(yuǎn)小于帶寬倒數(shù)時(shí)，延遲作用相當(dāng)于使基帶信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)相移。那么子陣列X_h上第m個(gè)陣元在同一時(shí)刻接收到的信號(hào)為：

x_hm(t)＝s(t)a_m(θ_x)+n_hxm(t),m＝1,2,…,M-1

其中a_m(θ_x)中v表示聲波在探測(cè)路徑上的速度，n_hxm(t)表示子陣列X_h上第m個(gè)陣元上的噪聲。

由于子陣列Y_h和子陣列X_h的相對(duì)平移矢量為d，那么子陣列Y_h上第m個(gè)陣元在同一時(shí)刻接收到的信號(hào)為：

其中n_hym(t)表示子陣列X_h上第m個(gè)陣元上的噪聲。

將子陣列X_h和子陣列Y_h上的各陣元的接收信號(hào)排列成列向量形式，則上面兩式可寫(xiě)成矢量形式：

X_h(t)＝A_xs(t)+N_hx(t) (公式1)

Y_h(t)＝A_xΦ_xs(t)+N_hy(t) (公式2)

其中，為(M-1)×1的子陣列X_h導(dǎo)向矢量矩陣，

X_h(t)＝[x_h1(t),x_h2(t),…,x_h(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列X_h接收信號(hào)矩陣，

Y_h(t)＝[y_h1(t),y_h2(t),…,y_h(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列Y_h接收信號(hào)矩陣，

N_hx(t)＝[n_hx1(t),n_hx2(t),…,n_hx(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列X_h噪聲矩陣，

N_hy(t)＝[n_hy1(t),n_hy2(t),…,n_hy(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列Y_h噪聲矩陣。

而Φ_x是把子陣X_h和Y_h的輸出聯(lián)系起來(lái)的一個(gè)因子，稱旋轉(zhuǎn)算子，它包含了目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)波前在任意x軸方向線陣中一個(gè)陣元偶之間的相位延遲信息，表示為：

對(duì)于y軸方向線陣，同樣將其分為兩個(gè)平移矢量為d的子陣列X_v和Y_v。子陣列X_v由y軸方向線陣的第一到第M-1個(gè)陣元組成，則有：

x_v1(t)＝y(tǒng)₁(t),x_v2(t)＝y(tǒng)₂(t),…,x_v(M-1)(t)＝y(tǒng)_M-1(t)

其中，x_v1(t),x_v2(t),…,x_v(M-1)(t)分別是子陣列X_v上第一個(gè)陣元到第M-1個(gè)陣元接收到的信號(hào)。

子陣列Y_v由y軸方向線陣的第二到第M個(gè)陣元組成，則有：

y_v1(t)＝y(tǒng)₂(t),y_v2(t)＝y(tǒng)₃(t),…,y_v(M-1)(t)＝y(tǒng)_M(t)

其中，y_v1(t),y_v2(t),…,y_v(M-1)(t)分別是子陣列Y_v上第一個(gè)陣元到第M-1個(gè)陣元接收到的信號(hào)。

y₁(t),y₂(t),…,y_M(t)是y軸方向線陣中第一個(gè)陣元到第M個(gè)陣元的接收信號(hào)。

以第一個(gè)陣元x_v1為參考陣元，那么子陣列X_v和子陣列Y_v中第m個(gè)陣元的接收信號(hào)分別為：

x_vm(t)＝s(t)a_m(θ_y)+n_vxm(t),m＝1,2,…,M-1

其中n_vxm(t)和n_vym(t)分別為子陣X_v和Y_v上第m個(gè)陣元的加性噪聲。將上式寫(xiě)成矢量形式有：

X_v(t)＝A_ys(t)+N_vx(t) (公式4)

Y_v(t)＝A_yΦ_ys(t)+N_vy(t) (公式5)

其中，為(M-1)×1的子陣列X_v導(dǎo)向矢量矩陣，

X_v(t)＝[x_v1(t),x_v2(t),…,x_v(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列X_v接收信號(hào)矩陣，

Y_v(t)＝[y_v1(t),y_v2(t),…,y_v(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列Y_v接收信號(hào)矩陣，

N_vx(t)＝[n_vx1(t),n_vx2(t),…,n_vx(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列X_v噪聲矩陣，

N_vy(t)＝[n_vy1(t),n_vy2(t),…,n_vy(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列Y_v噪聲矩陣。

同樣，Φ_y是把子陣X_v和Y_v的輸出聯(lián)系起來(lái)的一個(gè)因子，也稱旋轉(zhuǎn)算子，它包含了目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)波前在任意y軸方向線陣中一個(gè)陣元偶之間的相位延遲信息，表示為：

對(duì)于z軸方向線陣，同樣將其分為兩個(gè)平移矢量為d的子陣列X_g和Y_g。子陣列X_g由z軸方向線陣的第一到第M-1個(gè)陣元組成，則有：

x_g1(t)＝z₁(t),x_g2(t)＝z₂(t),…,x_g(M-1)(t)＝z_M-1(t)

其中，x_g1(t),x_g2(t),…,x_g(M-1)(t)分別是子陣列X_g上第一個(gè)陣元到第M-1個(gè)陣元接收到的信號(hào)。

子陣列Y_g由z軸方向線陣的第二到第M個(gè)陣元組成，則有：

y_g1(t)＝z₂(t),y_g2(t)＝z₃(t),…,y_g(M-1)(t)＝z_M(t)

其中，y_g1(t),y_g2(t),…,y_g(M-1)(t)分別是子陣列Y_g上第一個(gè)陣元到第M-1個(gè)陣元接收到的信號(hào)。

z₁(t),z₂(t),…,z_M(t)是z軸方向線陣中第一個(gè)陣元到第M個(gè)陣元的接收信號(hào)。

以第一個(gè)陣元x_g1為參考陣元，那么子陣列X_g和子陣列Y_g中第m個(gè)陣元的接收信號(hào)分別為：

x_gm(t)＝s(t)a_m(θ_z)+n_gxm(t),m＝1,2,…,M-1

其中n_gxm(t)和n_gym(t)分別為子陣X_g和Y_g上第m個(gè)陣元的加性噪聲。將上式寫(xiě)成矢量形式有：

X_g(t)＝A_zs(t)+N_gx(t) (公式7)

Y_g(t)＝A_zΦ_zs(t)+N_gy(t) (公式8)

其中，為(M-1)×1的子陣列X_g導(dǎo)向矢量矩陣，

X_g(t)＝[x_g1(t),x_g2(t),…,x_g(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列X_g接收信號(hào)矩陣，

Y_g(t)＝[y_g1(t),y_g2(t),…,y_g(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列Y_g接收信號(hào)矩陣，

N_gx(t)＝[n_gx1(t),n_gx2(t),…,n_gx(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列X_g噪聲矩陣，

N_gy(t)＝[n_gy1(t),n_gy2(t),…,n_gy(M-1)(t)]^T為(M-1)×1的子陣列Y_g噪聲矩陣。

同樣，Φ_z是把子陣X_g和Y_g的輸出聯(lián)系起來(lái)的一個(gè)因子，也稱旋轉(zhuǎn)算子，它包含了目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)波前在任意z軸方向線陣中一個(gè)陣元偶之間的相位延遲信息，表示為：

步驟二：計(jì)算三個(gè)兩兩正交的均勻線陣上的旋轉(zhuǎn)算子。

對(duì)于x軸方向線陣，計(jì)算X_h(t)的協(xié)方差矩陣R_hxx與X_h(t)和Y_h(t)的互協(xié)方差矩陣R_hxy，然后對(duì)其進(jìn)行特征值分解得到最小特征值為σ_x²，利用σ_x²計(jì)算C_hxx＝R_hxx-σ_x²I和C_hxy＝R_hxy-σ_x²Z。其中I是(M-1)×(M-1)階的單位矩陣，Z也是(M-1)×(M-1)階的矩陣，并且

最后計(jì)算矩陣束{C_hxx,C_hxy}的廣義特征值分解，得到非零特征值λ_x,此特征值就是x軸方向線陣旋轉(zhuǎn)算子的值，即：

對(duì)于y軸方向線陣，同樣計(jì)算X_v(t)的協(xié)方差矩陣R_vxx與X_v(t)和Y_v(t)的互協(xié)方差矩陣R_vxy，然后對(duì)其進(jìn)行特征值分解得到最小特征值為σ_y²，利用σ_y²計(jì)算C_vxx＝R_vxx-σ_y²I和C_vxy＝R_vxy-σ_y²Z。最后計(jì)算矩陣束{C_vxx,C_vxy}的廣義特征值分解，得到非零特征值λ_y,此特征值就是y軸方向線陣的旋轉(zhuǎn)算子的值，即：

對(duì)于z軸方向線陣，同樣計(jì)算X_g(t)的協(xié)方差矩陣R_gxx與X_g(t)和Y_g(t)的互協(xié)方差矩陣R_gxy，然后對(duì)其進(jìn)行特征值分解得到最小特征值為σ_z²，利用σ_z²計(jì)算C_gxx＝R_gxx-σ_z²I和C_gxy＝R_gxy-σ_z²Z。最后計(jì)算矩陣束{C_gxx,C_gxy}的廣義特征值分解，得到非零特征值λ_z,此特征值就是z軸方向線陣上的旋轉(zhuǎn)算子的值，即：

步驟三：建立聲波在三個(gè)兩兩正交的均勻線陣上三個(gè)方向角之間的關(guān)系。

假設(shè)聲波與x軸方向線陣形成的夾角為α，與y軸方向線陣形成的夾角為β，與z軸方向線陣形成的夾角為γ，將其轉(zhuǎn)換到空間直角坐標(biāo)系中，如圖5所示。

其中OD所在直線即為聲波入射方向。

由圖可知，于是就有：

而方向角的大小是聲波與線陣法線之間的夾角大小，并且當(dāng)聲波到達(dá)的第一個(gè)陣元不是線陣的參考陣元時(shí)，時(shí)延參數(shù)τ是小于0，又因?yàn)樗源藭r(shí)方向角是負(fù)值，于是就有：

根據(jù)以上三個(gè)關(guān)系式子，則可得：

cos²α＝sin²θ_x，cos²β＝sin²θ_y，cos²γ＝sin²θ_z

將上式帶入公式(13)得：

sin²θ_x+sin²θ_y+sin²θ_z＝1 (公式14)

步驟四：根據(jù)三個(gè)方向角之間的關(guān)系求出探測(cè)路徑上聲速v的大小。

聯(lián)立公式(10)，公式(11)，公式(12)和公式(14)消去θ_x，θ_y和θ_z可得：

整理可得速度v的最終表達(dá)為：

因此，利用三個(gè)兩兩正交的均勻線陣接收到的聲波信號(hào)求出三個(gè)旋轉(zhuǎn)算子的值(即λ_x，λ_y和λ_z)，然后將其帶入公式(16)便可計(jì)算出探測(cè)路徑上聲速v的大小。

本發(fā)明提出的測(cè)量方法可以在目標(biāo)定位中對(duì)水下探測(cè)路徑聲速進(jìn)行精確的測(cè)量，克服了現(xiàn)有直接測(cè)量法和間接測(cè)量法存在的缺陷。

同時(shí)，本發(fā)明方法可以推廣到有多個(gè)目標(biāo)的情況中去，這時(shí)候的每個(gè)均勻線陣上的旋轉(zhuǎn)算子是一個(gè)對(duì)角矩陣，每一個(gè)對(duì)角元素都對(duì)應(yīng)于一個(gè)目標(biāo)，求得的特征值也有多個(gè)，它們一一對(duì)應(yīng)著對(duì)角矩陣上的對(duì)角元素，最后利用這些特征值可以求得每條探測(cè)路徑上的聲波速度。

本實(shí)例提供的基于三維正交陣的水下探測(cè)路徑聲速測(cè)量裝置如圖1所示，包括處理與控制模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊和外設(shè)接口。

處理與控制模塊由一個(gè)處理器組成，并且與A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊和外設(shè)接口相連。它能夠設(shè)置特定參數(shù)，該參數(shù)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，從而控制發(fā)射模塊，使發(fā)射模塊發(fā)射指定的聲波信號(hào)；同時(shí)，它還能夠?qū)慕邮漳K傳送回來(lái)，并經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，然后運(yùn)用本發(fā)明的算法計(jì)算出精確的水下探測(cè)路徑聲速大小。除此之外，它還能夠?qū)⑻幚砗玫臄?shù)據(jù)傳送給外設(shè)接口，使它們通過(guò)有線接口或者無(wú)線接口傳送到外部裝置。

發(fā)射模塊由一個(gè)阻抗匹配電路和一個(gè)超聲波發(fā)送探頭組成，并且與A/D轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊相連。它能夠根據(jù)處理與控制模塊發(fā)出，并經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的指令，獲取指定的信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行超聲發(fā)射；

接收模塊由三維正交的超聲波接收探頭陣列組成，具體模型場(chǎng)景如圖2所示，與發(fā)射模塊一樣，它同樣含有阻抗匹配電路，并與A/D轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊相連。它能夠接收從目標(biāo)發(fā)射回來(lái)的信號(hào)，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊將其傳送給處理與控制模塊。

A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器與處理與控制模塊、發(fā)射模塊和接收模塊相連。A/D轉(zhuǎn)換器將接收模塊接受到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并傳遞給處理與控制模塊進(jìn)行處理；D/A轉(zhuǎn)換器將處理與控制模塊發(fā)出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并傳送發(fā)射模塊使其發(fā)射指定的聲波。

外設(shè)接口由一個(gè)有線接口和無(wú)線接口組成，并且與處理與控制模塊和電源模塊相連。它能夠提供人機(jī)交互，將處理與控制模塊中處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)有線接口或無(wú)線接口傳送到外部裝置。

電源模塊由一個(gè)電源組成，并且與處理與控制模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊和外設(shè)接口相連。它能夠?yàn)檫@些模塊供電。

本發(fā)明裝置的主要工作流程如下：操作者通過(guò)處理與控制模塊輸入對(duì)應(yīng)的參數(shù)，使該模塊產(chǎn)生所需要的數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后，傳送給發(fā)發(fā)射模塊，超聲波發(fā)射探頭將對(duì)其進(jìn)行發(fā)射。接收模塊中的三維正交超聲波接收探頭陣列接收到從目標(biāo)源發(fā)射回來(lái)的模擬信號(hào)后將其傳送給A/D轉(zhuǎn)換模塊，信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳送給處理與控制模塊，然后模塊中的處理器利用本發(fā)明算法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，得出水下探測(cè)路徑聲速的大小。最后處理與控制模塊將計(jì)算得出的速度值傳給外設(shè)接口，使其通過(guò)有線接口或者無(wú)線接口傳送給外部裝置。工作的全程中，電源模塊為所有模塊供電。

本發(fā)明裝置包括處理與控制模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊和外設(shè)接口。處理與控制模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊可以用DSP芯片實(shí)現(xiàn)(如：TI公司的TMS320VC5509A型號(hào)的DSP芯片)，此DSP芯片可實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換的功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)正交均勻線陣的旋轉(zhuǎn)算子和最終聲波傳播路徑速度的計(jì)算；發(fā)射模塊使用一個(gè)超聲波發(fā)射探頭；接收模塊使用三個(gè)兩兩正交的均勻線陣，其中每個(gè)陣列包括多個(gè)超聲接收探頭，并且數(shù)量相同；輸出模塊使用一個(gè)USB有線接口和W-CDMA無(wú)線接口。圖1即為本發(fā)明所述裝置的硬件結(jié)構(gòu)模塊圖。

本實(shí)例的主要工作步驟具體如下：

步驟1：在一個(gè)淡水庫(kù)中放置一個(gè)目標(biāo)S。設(shè)定陣列接收模塊和發(fā)射模塊中的各項(xiàng)參數(shù)：將接收模塊中的每個(gè)均勻線陣中的陣元個(gè)數(shù)M定為9，則每個(gè)均勻線陣中前8個(gè)陣元為子陣X_h，X_v和X_g，后8個(gè)陣元為子陣Y_h，Y_v和Y_g；兩個(gè)子陣列之間的距離d設(shè)為5mm；通過(guò)處理與控制模塊控制發(fā)射模塊使待發(fā)射的超聲頻率為100kHz，脈沖長(zhǎng)度5ms。

步驟2：對(duì)超聲接收探頭接收到的目標(biāo)聲源信號(hào)進(jìn)行采樣；x軸方向均勻線陣接收到的信號(hào)為x₁(t),x₂(t),…,x₉(t)，y軸方向均勻線陣接收的信號(hào)為y₁(t),y₂(t),…,y₉(t)，z軸方向均勻線陣接收的信號(hào)為z₁(t),z₂(t),…,z₉(t)共采樣接收200次，并將接收到的信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換模塊傳遞給處理與控制模塊模塊做運(yùn)算處理。

步驟3：信號(hào)在數(shù)據(jù)采集處理與控制模塊中的處理步驟具體如下：

1)將處在x軸方向上的均勻線陣接收到的信號(hào)排成矢量形式X_h(t)和Y_h(t)，計(jì)算X_h(t)的協(xié)方差矩陣R_hxx與X_h(t)和Y_h(t)之間的互協(xié)方差矩陣R_hxy。同時(shí)對(duì)y軸和z軸方向上的均勻線陣接收到的信號(hào)也進(jìn)行相同處理，得到R_vxx和R_vxy與R_gxx和R_gxy。

2)對(duì)x軸方向線陣中的兩個(gè)協(xié)方差矩陣R_hxx和R_hxy進(jìn)行特征值分解，得到最小的特征值從而有和同時(shí)對(duì)y軸方向線陣和z軸方向線陣中的兩個(gè)協(xié)方差矩陣進(jìn)行相同的處理，得到C_vxx和C_vxy與C_gxx和C_gxy。

3)分別計(jì)算矩陣束{C_hxx,C_hxy}，{C_vxx,C_vxy}和{C_gxx,C_gxy}的廣義特征值分解，得到特征值λ_x，λ_y和λ_z。

4)根據(jù)3)中的特征值，聯(lián)立式子對(duì)v進(jìn)行求解，最終求得

步驟4：將計(jì)算出的水下探測(cè)路徑上的聲速信息存儲(chǔ)下來(lái)，并傳送給外設(shè)接口，使其通過(guò)USB有線接口或者W-CDMA無(wú)線接口傳送給外部裝置。根據(jù)本發(fā)明算法測(cè)量出的水下探測(cè)路徑聲速大小為1452.8m/s。