張 倩, 梁 紅, 楊長(zhǎng)生

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基于四元稀疏T型陣的AUV方位估計(jì)算法

張 倩, 梁 紅, 楊長(zhǎng)生

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710077)

小型自主式水下航行器(AUV)受體積和結(jié)構(gòu)限制, 攜帶水聽(tīng)器個(gè)數(shù)有限, 但需具備較高測(cè)向精度, 而傳統(tǒng)四元均勻T型陣雖能實(shí)現(xiàn)方位角和俯仰角的聯(lián)合估計(jì), 但由于陣列孔徑受波長(zhǎng)限制, 其定向精度有限?；诖? 文中以四元均勻T型陣為基礎(chǔ), 增加水平方向上中心陣元與1陣元的間距, 使其擴(kuò)大至波長(zhǎng)的整數(shù)倍, 中心陣元與其他陣元間距均保持半波長(zhǎng), 構(gòu)成四元稀疏T型陣。利用基于常規(guī)波束形成的互譜測(cè)向法進(jìn)行方位估計(jì), 對(duì)2種陣型方位角及俯仰角的估計(jì)誤差進(jìn)行仿真對(duì)比。仿真結(jié)果表明, 同一信噪比下, 四元稀疏T型陣的方位角估計(jì)誤差更小, 證實(shí)了四元稀疏T型陣的定向結(jié)果具有更高的精度, 可滿足AUV以較少的陣元實(shí)現(xiàn)更高測(cè)向精度的要求。

自主式水下航行器; 四元稀疏T型陣; 方位估計(jì)

0 引言

水聲被動(dòng)定位系統(tǒng)主要用于對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位。通過(guò)對(duì)被測(cè)目標(biāo)的航行噪聲或目標(biāo)發(fā)出的尋的信號(hào)進(jìn)行接收及處理, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位跟蹤。水聲被動(dòng)定位系統(tǒng)具有隱蔽性好、作用距離遠(yuǎn)、不易被發(fā)現(xiàn)等特點(diǎn)[1]。若將水聲被動(dòng)定位系統(tǒng)搭載在自主式水下航行器(autono- mous undersea vehicle, AUV)上, 能夠完成對(duì)水下聲源目標(biāo)的定位和探測(cè), 通過(guò)與航行器控制系統(tǒng)的信息交互, 可實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、目標(biāo)搜尋等功能。歐美的水下定位系統(tǒng)代表世界先進(jìn)水平, 一系列成熟的產(chǎn)品被投入到軍事和民用領(lǐng)域[2-4]。美國(guó)Sonardyne的Fusion系列產(chǎn)品能進(jìn)行連續(xù)的定位及跟蹤, 可以用于深海工程、資源開(kāi)發(fā)及災(zāi)難救援等; 挪威Kongsberg Simrad的HPR408S型長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到水下機(jī)器人、深拖系統(tǒng)等設(shè)備的導(dǎo)航定位; 澳大利亞Nautronix的NASDrill RS925型短基線水聲定位系統(tǒng)具有超強(qiáng)的抗干擾能力。我國(guó)水聲定位系統(tǒng)發(fā)展起步較晚, 與國(guó)外的發(fā)展水平仍存在較大的差距[5]。

由于AUV結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 體積較小, 能夠攜帶的設(shè)備資源極其有限, 因此其波達(dá)方向(direction of arrival, DOA)定向系統(tǒng)具有如下特征: 1) 受航行器體積限制, 所能攜帶水聽(tīng)器個(gè)數(shù)極其有限; 2) 需要實(shí)現(xiàn)對(duì)聲源目標(biāo)的2維定向。眾所周知, 在水聲DOA定向系統(tǒng)中, 陣元間距、接收基陣的孔徑大小、接收基陣的陣型以及所采用的測(cè)向算法等都會(huì)影響測(cè)向精度。由于AUV攜帶水聽(tīng)器的個(gè)數(shù)固定且極其有限, 其水聲定向系統(tǒng)的定向精度必然受到限制, 采用更優(yōu)的接收基陣陣型可以在一定程度上提高定向精度。

等間隔四元T型陣能夠?qū)崿F(xiàn)2維角度估計(jì), 且只需要4個(gè)陣元, 可滿足小型AUV水聲DOA定向系統(tǒng)以盡可能少的陣元實(shí)現(xiàn)2維定向的需求。但為了避免出現(xiàn)測(cè)向模糊的問(wèn)題, 要求其陣元間距不超過(guò)系統(tǒng)最高工作頻率所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的一半, 因而陣列孔徑受到限制, 定向精度也因此受限。

文中在四元均勻T型陣的基礎(chǔ)上提出了四元稀疏T型陣, 通過(guò)增大陣元間距提高定向精度, 并結(jié)合相應(yīng)的聲源目標(biāo)定向算法, 對(duì)連續(xù)波(continue wave, CW)信號(hào)的方位角和俯仰角進(jìn)行聯(lián)合估計(jì), 其定向結(jié)果具有更高的精度, 同時(shí)估計(jì)結(jié)果具有更好的穩(wěn)定性。

1 接收基陣陣型

1.1 坐標(biāo)系設(shè)置

在以AUV為工作平臺(tái)的水聲定位系統(tǒng)中, 常用的坐標(biāo)系設(shè)置如圖1所示。

將T型陣放置在圖1所示的坐標(biāo)系中, 其陣元通常在x軸或y軸上, 若以原點(diǎn)處的陣元為參考陣元, 則各陣元信號(hào)相對(duì)于參考陣元信號(hào)的相位差由和共同決定。由于和的信息是耦合的, 因此無(wú)法僅利用某幾個(gè)陣元接收信號(hào)單獨(dú)對(duì)或進(jìn)行估計(jì)?；诖? 文中提出了一種新的坐標(biāo)系設(shè)置方式, 如圖2所示。

1.2 四元均勻T型陣

在圖2所示的坐標(biāo)系中, 等間隔四元均勻T型陣的4個(gè)水聽(tīng)器按圖3所示方式布放, 接收基陣安裝在航行器底部, 基陣所形成平面(面)與航行器底面平行。

圖3 四元均勻T型陣布放方式示意圖

1.3 四元稀疏T型陣

四元均勻T型陣能夠?qū)崿F(xiàn)方位角和俯仰角的聯(lián)合估計(jì), 但為了避免出現(xiàn)角度模糊的問(wèn)題, 要求陣元間距滿足式(3), 因此陣列孔徑受到限制, 測(cè)向精度也就受到限制。文中提出的四元稀疏T型陣是在均勻T型陣的基礎(chǔ)上增大軸上任意相鄰兩陣元的間距, 使其等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍, 擴(kuò)大陣列孔徑也就意味著更好的測(cè)向精度。四元稀疏T型陣水聽(tīng)器布放方式如圖4所示。

圖4 四元稀疏T型陣布放方式示意圖

2 方位估計(jì)算法

對(duì)于稀疏T型陣, 將常規(guī)波束形成和互譜法結(jié)合對(duì)方位角進(jìn)行估計(jì), 估計(jì)精度高于均勻T型陣, 其原理如下。

1) 兩陣元接收信號(hào)具有如下相位差

對(duì)式(8)兩邊求增量得

以四元稀疏T型陣為接收基陣, 方位估計(jì)算法具體如下。

波束形成權(quán)值為

波束形成器的輸出

完成對(duì)俯仰角的估計(jì)后, 對(duì)軸上小間距的兩陣元接收信號(hào)也進(jìn)行同樣的處理, 此時(shí)波束形成的權(quán)值為

針對(duì)學(xué)生的差異，作業(yè)設(shè)計(jì)必須精心考慮，因人而異，分層設(shè)計(jì)，使得不同發(fā)展水平的學(xué)生都能在自己能力范圍內(nèi)得到有效的訓(xùn)練，使其在適合自己的作業(yè)中取得成功，獲得輕松、愉快、滿足的心理體驗(yàn)，從而提高語(yǔ)文能力。

對(duì)軸上大間距的兩陣元接收信號(hào)分別進(jìn)行點(diǎn)快速傅里葉變換(fast fourier transformation, FFT), 得

對(duì)互功率譜的相位進(jìn)行計(jì)算, 得到互譜結(jié)果

上述方位估計(jì)算法的流程圖見(jiàn)圖5。

3 仿真與分析

圖5 四元稀疏T型陣算法流程圖

圖6為不同信噪比下2種陣型的估計(jì)結(jié)果比較曲線。圖中, 虛線為四元均勻T型陣的估計(jì)結(jié)果, 實(shí)線為四元稀疏T型陣的估計(jì)結(jié)果。由圖6可知, 在不同信噪比下, 稀疏T型陣的誤差均值小于均勻T型陣誤差均值, 說(shuō)明稀疏T型陣的定向精度更高。

圖6 不同信噪比時(shí)均勻T型陣和稀疏T型陣估計(jì)結(jié)果對(duì)比

圖7 不同陣元間距稀疏T型陣估計(jì)結(jié)果

表1 稀疏T型陣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)估計(jì)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于小型AUV, 由于受其體積及結(jié)構(gòu)的限制, 所攜帶水聲換能器的個(gè)數(shù)極其有限。文中在四元均勻T型陣的基礎(chǔ)上提出了四元稀疏T型陣, 通過(guò)增大陣元間距提高定向精度, 并結(jié)合相應(yīng)的聲源目標(biāo)定向算法, 對(duì)CW信號(hào)的方位角和俯仰角進(jìn)行聯(lián)合估計(jì), 其定向結(jié)果具有更高的精度, 同時(shí)估計(jì)結(jié)果具有更好的穩(wěn)定性。在水聽(tīng)器個(gè)數(shù)固定為4個(gè)的情況下, 文中所提出的四元稀疏T型陣能夠?qū)崿F(xiàn)方位角和俯仰角的聯(lián)合估計(jì), 并且其方位角定向精度高于四元均勻T型陣, 其能夠滿足小型AUV攜帶盡可能少的陣元實(shí)現(xiàn)更高測(cè)向精度的要求。在實(shí)際工程應(yīng)用中, 由于水面、水底及水中各種微粒的反射, 通常需要考慮回波信號(hào)的多徑效應(yīng), 文中提出的四元稀疏T型陣及其相應(yīng)的定向算法, 還可針對(duì)多徑問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。

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Algorithm of Direction of Arrival Estimation for an AUV Based on Sparse T-Array with Four Hydrophones

ZHANG Qian, LIANG Hong, YANG Chang-sheng

(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710077, China)

The number of hydrophone on a small autonomous undersea vehicle(AUV) is extremely limited by its volume and structure, however, higher accuracy of direction of arrival(DOA) is expected for such limited hydrophones. Joint es- timation of azimuth and pitch angle can be realized by traditional isometric T-array with four hydrophones, but the estimation accuracy is limited because the array aperture depends on the half-wavelength. This study proposes a sparse T-array with four hydrophones based on the isometric T-array with four hydrophones, and it enlarges the spacing between center element and No.1 element in the horizontal direction to an integer multiple of the wavelength while keeps the spacing between center element and others half- wavelength. Adopting the cross-spectrum direction-finding method based on conventional beam-forming for DOA estimation, the estimation errors of azimuth and pitch angle are simulated and compared between these two array-patterns. The results show that the azimuth estimation error of the sparse T-array is less than that of the isometric T-array under the same signal-to-noise ratio(SNR). Simulation analysis confirms that the DOA result of the sparse T-array with four hydrophones has higher accuracy, which satisfies the requirement for an AUV that using fewer elements to achieve higher DOA estimation accuracy.

autonomous undersea vehicle(AUV); sparse T-array with four hydrophones; direction of arrival(DOA) estimation

TJ630.34; TN911.7

A

2096-3920(2019)01-0025-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.01.005

張倩, 梁紅, 楊長(zhǎng)生. 基于四元稀疏T型陣的AUV方位估計(jì)算法[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(1): 25-30.

2018-07-09;

2018-10-26.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(61379007,61771398).

張 倩(1994-), 女, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)樗滦盘?hào)處理技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)