申请/专利权人：中国人民解放军国防科技大学

申请日：2023-12-19

公开（公告）日：2024-03-22

公开（公告）号：CN117740133A

主分类号：G01H3/04

分类号：G01H3/04;G01S15/06;G01S15/88

优先权：

专利状态码：在审-实质审查的生效

法律状态：2024.04.09#实质审查的生效;2024.03.22#公开

摘要：本发明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，该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；本发明所提方法采用半正定规划理论构建校准声源发射时间未知、等效声速未知、考虑基元间距约束的阵形校准问题模型，利用凸优化工具箱进行求解，无需设置中间参数，获得了更加准确的阵形校准结果。

主权项：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：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：记阵列布放入水点为O，设置半径为R，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ut；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＝2πRv·T，v表示声源校准船的航速，海底声基阵记录并存储接收到的声信号；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：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,nt＝ut-τi,n，i＝1,...,M，n＝1,...,N0，t∈[t0+n-1T,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,nt的频域表达式为Si,nw，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；遵循最大信噪比原则设计匹配滤波器的频谱响应如下： 其中B＝γTp为脉冲带宽，γ为调频斜率，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,nw通过匹配滤波器后的输出频谱为Yi,nw＝Si,nw·Hw，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；S2.2，计算时域相关波形集合中每一个时域相关波形yi,nt的信噪比，所述信噪比为时域相关波形yi,nt的相关峰与本底噪声的dB差值，选择信噪比大于UdB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；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： 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；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：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选定第一个相关波形yi,1t的最大峰值时刻与起始时刻的到达时延ti,1为参考，构建基元到达时延差观测子集表示第i个基元、第n′次发射时的基元到达时延差观测量，其表达式如下： 其中表示时延提取的观测噪声，该观测噪声可以忽略；从上式可见，同步误差在基元到达时延差观测量中被消除了，无需再对其进行考虑；S4，利用基元到达时延差观测子集采取最小二乘法计算海水中的等效声速：定义第i个基元的时延差向量为第i个基元与校准声源位置之间的距离范数di＝[||s1-ui||,...,||sN′-ui||]T,i＝1,...,M，作差算子其中1M-1表示M-1维的全1列向量，以下同；在式4的基础上，忽略时延提取的观测噪声将ci看成未知数，利用最小二乘法可将其估计值计算为： S5，构建阵形校准问题模型；具体如下：采用最小二乘准则，构建如下阵形校准代价函数： 上式中d表示基元间距；定义运算化简函数将式5中的等效声速代入式6，可得： 上式即为阵形校准求解模型，是一个非凸函数；S6，对S5构建的阵形校准问题模型进行松弛处理，获得可凸优化求解的半正定规划问题：定义距离范数矩阵记Di的第p行，第q列位置处的值为Di,[p,q]，p,q＝1,...,N′，优化变量记距离范数di向量的第p个元素为di,p；利用半正定规划理论对式7进行松弛，使得目标函数转化为凸函数，并写成线性矩阵不等式的形式: 上式中的λ为代价函数中的惩罚因子，用于提高模型矩阵Di的估计稳定性；S7，采用凸优化工具箱的内点法对半正定规划问题进行求解，输出最终的海底声基阵阵形校准结果：采用Yalmip凸优化工具箱的内置内点法对式8进行求解，可求得最终的海底声基阵阵形校准结果为

全文数据：

权利要求：

百度查询： 中国人民解放军国防科技大学 一种基于凸优化理论的海底声基阵阵形校准方法

免责声明
1、本报告根据公开、合法渠道获得相关数据和信息，力求客观、公正，但并不保证数据的最终完整性和准确性。
2、报告中的分析和结论仅反映本公司于发布本报告当日的职业理解，仅供参考使用，不能作为本公司承担任何法律责任的依据或者凭证。

阅读全文 双屏查看 官方信息 专利公告 收藏专利 下载PDF 下载WORD