具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

图1示意性示出了根据本发明实施例的海底水平阵阵形校正方法的流程示意图。如图1所示，在本发明一实施例中，提供了一种海底水平阵阵形校正方法，包括以下步骤：

步骤101，通过海底水平阵布放海域对应的发射点发射合作声信号；

步骤102，根据合作声信号获取到海底水平阵布放的区域位置、海底水平阵的预部署方位、声速剖面数据以及发射点的位置信息；

步骤103，获取发射点对应的阵列信道响应；

步骤104，根据区域位置、预部署方位、声速剖面数据和发射点的位置信息，确定阵列信道响应对应的拷贝阵列信道响应；

步骤105，根据阵列信道响应和拷贝阵列信道响应确定对应的相关峰最大值；

步骤106，将相关峰最大值作为代价值，通过预设遗传算法确定海底水平阵的最优阵形参数。

在海底水平阵布放海域附近，任意选取不同的发射位置点发射合作声信号，一般为线性调频信号(LinearFrequencyModulationSignal，LFM)。进一步地，可以选取K个发射位置点发射合作声信号，K设置为大于4。合作声信号记为s₀(t)＝exp(j(2πf₀t+π(B/T)t²))，其中f₀为中心频率，B为信号带宽，T为信号时长。记录海底水平阵布放的大致区域、水平阵的预部署方位，声速剖面数据、发射位置GPS信息。水平阵同步采集并记录阵列信号数据。

具体地，可以记录阵列布放区域ABCD点的GPS位置信息(lat_po，lon_po)，po∈{A，B，C，D}，记录该区域测量获得的声速剖面c(z)，其中z表示水深，表示c(z)在全海深的算术平均值，水平阵拟部署的方位φ₀(φ₀表示阵列第一个基元与最后一个基元之间的连线与x轴正向的夹角)；步骤1-2，记录第k个合作声信号发射时刻t_k，k＝1，...，K，记录合作声信号发射点GPS位置(x_k，y_k)，k＝1，...，K。海底水平阵以采样率f_s同步记录水平阵L个基元的阵列信号数据。

针对某一发射点，截取阵列各基元相应时间段的时域信号，通过匹配滤波、相关峰包络提取、幅值归一化操作获得该发射点对应的阵列信道响应。重复第二步，直至获得全部发射点对应的阵列信道响应。

在一个实施例中，获取发射点对应的阵列信道响应包括：针对记录的合作声信号的发射时刻，截取发射时刻的一定范围内的时域信号；

对时域信号与合作声信号的发射波形进行匹配滤波；将滤波后的信号进行希尔伯特变换，并计算对应输出的包络信号；对包络信号进行归一化处理后，可确定得到发射点对应的阵列信道响应。

发射时刻的一定范围t内的时域信号满足以下公式(8)：

其中，t_k表示合作声信号的发射时刻，η表示为截取发射时刻的一定范围内的时域信号对应的时间长度，S表示为第k个发射位置点与海底水平阵布放海域的预设端点的最远距离，表示为海底水平阵布放海域测量获得的声速剖面在全海深的算术平均值。

具体地，根据记录的声信号发射时刻t_k，截取该时刻附近一定范围t(设第k个发射位置点与ABCD四个点中最远距离为S，则)内的时域信号，经采样后的离散序列记为其中上标T表示转置操作，符号表示向下取整。然后，对每一个通道时域信号与已知的发射波形进行匹配滤波。滤波器输出可表示为n＝1，...，N，m＝0，...，2N-1，s₀[n]表示发射信号s₀(t)的离散采样值(采样率为f_s)，符号*表示复共轭；步骤2-3，对每个滤波器输出R_kl(m)进行希尔伯特变换得计算相关输出的包络信号对包络信号进行归一化操作后得a_kl(m)＝A_kl(m)/max{A_kl(m)}，该声源发射点测量获得的阵列信道响应可表示为C_k(m)＝[a_k1，a_k2，...，a_kL]^T，a_kl＝[a_k1(m)...，a_kl(m)，...a_kL(m)]^T，l＝1，...，L，可见C_k(m)是一个L×N维的矩阵。

在一个实施例中，根据区域位置、预部署方位、声速剖面数据和发射点的位置信息，确定阵列信道响应对应的拷贝阵列信道响应包括：根据海底水平阵的阵列间距、基元数量、各个基元的位置、阵列弯曲度建立海底水平阵阵列的抛物线模型；确定抛物线模式的初始阵形；将初始阵形在直角坐标轴上绕原点旋转预设角度，并将直角坐标轴的原点移动至预设位置，以得到对应的拷贝阵阵形；根据预部署方位、声速剖面数据、发射点的位置信息以及拷贝阵形，利用Bellhop模型确定出单个发射点与全部基元之间的信道冲激响应，信道冲激响应为使用Bellhop模型计算声信号传播路径时，各路径中距离最短的路径或时延最小的路径上对应的声信号。

在一个实施例中，初始阵形的表达式为公式(4)：

[e_l，x，e_l，y]^T＝[e_l-1，x，e_l-1，y]^T+d[cosθ_l，sinθ_l]^T，l＝1，...，L公式(4)；

其中[e_l，x，e_l，y]^T表示初始阵形中第l个基元的位置坐标，初始阵形由所有L个基元的位置坐标共同表示，θ_l表示初始阵形中第l个基元与第l-1个基元的连线与x轴的夹角，θ_l的表达式如以下公式(5)所示：

θΔ表示为初始阵形的预设阵列弯曲度，其中i_x＝[1，0]^T表示x轴上的单位向量，b_L1＝[e_L，x-e_1，x，e_L，y-e_1，y]^T表示由L号基元和1号基元组成的方位向量。初始阵形表示为预设阵列方位角φ为零时所对应的阵形，其中，φ表达式为公式(2)：

其中，i_x＝[1，0]^T，表示x轴上的单位向量；b_L1表示为第L号基元和原点处1号所在基元组成的方位向量，b_L1的表达式为公式(3)：

b_L1＝[e_L，x-e_1，x，e_L，y-e_1，y]^T，公式(3)；

L表示为基元的数量；[e_L，x，e_L，y]^T表示为所述初始阵形中第L号基元在直角坐标系中的位置坐标；直角坐标轴的y轴正向为正北方位，x轴正向为正东方位。

首先，将阵列建模为参数化抛物线模型。假设阵列间距为d，基元个数为L，l号基元位置为[e_l，x，e_l，y]^T。例如，建立以1号基元为原点(即[e_0，x，e_0，y]^T＝[0，0]^T，本领域专业技术人员也可以其他基元为原点进行类似推导，在此不再赘述)，其中，直角坐标轴的正北方位为y轴正向，正东方位为x轴正向的直角坐标系。θ_Δ表示为初始阵形的预设阵列弯曲度，其中i_x＝[1，0]^T表示x轴上的单位向量，b_L1＝[e_L，x-e_1，x，e_L，y-e_1，y]^T表示由L号基元和1号基元组成的方位向量。

同理，定义阵列方位角其中，i_x＝[1，0]^T，表示x轴上的单位向量；b_L1表示为第L号基元和原点处1号所在基元组成的方位向量，b_L1的表达式为：b_L1＝[e_L，x-e_1，x，e_L，y-e_1，y]^T。L表示为基元的数量；[e_L，x，e_L，y]^T表示为所述初始阵形中第L号基元在直角坐标系中的位置坐标；直角坐标轴的y轴正向为正北方位，x轴正向为正东方位。初始阵形表示为预设阵列方位角φ为零时所对应的阵形。初始阵形的表达式为：[e_l，x，e_l，y]^T＝[e_l-1，x，e_l-1，y]^T+d[cosθ_l，sinθ_l]^T，l＝1，...，L。

其中，[e_l，x，e_l，y]^T表示初始阵形中第l个基元的位置坐标，初始阵形

由所有L个基元的位置坐标共同表示，θ_l表示初始阵形中第l个基元与第l-1个基元的连线与x轴的夹角，θ_l的表达式为： l＝2，...，L。其中，θ_Δ表示为初始阵形的预设阵列弯曲度，其中i_x＝[1，0]^T表示x轴上的单位向量，b_L1＝[e_L，x-e_1，x，e_L，y-e_1，y]^T表示由L号基元和1号基元组成的方位向量。

将初始阵形在直角坐标轴上绕原点旋转φ_Δ，并将原点(即1号基元位置)移至阵列部署区域ABCD内的某一点即可获取拷贝阵形。拷贝阵形的计算公式：

其中，表示为拷贝阵中第l个基元在直角坐标系中的位置坐标，φ_Δ为预设角度，为预设位置在直角坐标系中的位置坐标，l为水听器阵列第l个基元的编号，L为基元的数量，直角坐标轴的y轴正向为正北方位，x轴正向为正东方位。可见，除去阵列基元个数L和基元间距d这两个已知参数外，拷贝阵列由1号基元位置[e′_0，x，e′_0，y[]^T]、方位旋转角φ_Δ和阵列弯曲度θ_Δ决定。然后，可以根据声速剖面测量值、发射位置测量值和拷贝阵形，利用Bellhop射线计算模型计算单个发射点与全部基元之间的信道冲激响应。其中，信道冲激响应为使用Bellhop模型计算声信号传播路径时，各路径中距离最短的路径或时延最小的路径上对应的声信号。也就是说，在使用Bellhop模型计算信道冲激响应，仅取时延最小的到达径。然后，可以按阵列通道归一化后可得拷贝阵列信道响应在维度上与获取发射点对应的阵列信道响应的步骤中所采用的C_k(m)一致。进一步地，可以对获得的实测阵列信道响应和拷贝阵列信道响应在阵列维度上进行互相关计算，并提取相关峰最大值。

在一个实施例中，根据公式(6)确定相关峰最大值：

P_k＝max(sum(Q_k(m′)))公式(6)；

其中，P_k表示相关峰最大值，sum(*)表示列方向求和运算，max(*)表示取最大值运算，Q_k(m′)表示为第k个合作声信号发射点的实测阵列信道响应和拷贝阵列信道响应互相关运算结果。

在一个实施例中，Q_k(m′)的计算公式如公式(7)：

具体地，可以对第k个发射点的实测阵列信道响应和拷贝阵列信道响应互相关运算，计算公式为：m′＝0，...，4N-1。其中，C_k表示为第k个合作声信号发射点测量获得的初始阵列信道响应，表示为第k个合作声信号发射点测量获得的拷贝阵列信道响应的共轭转置，m表示为中的第m个点，m＝0，...，2N-1，m′表示为C_k中的第m′个点，N表示为C_k总共信号点数值的一半，k表示为第k个合作声信号发射点。

Q_k(m′)的一行对应一个阵列通道的相关运算结果，理想情况(实测与拷贝一致时)下各个通道应在同一时刻m′达到最大值。将Q_k(m′)按列累加并取最大值获得第k个发射点对应的阵列信道匹配相关峰最大值，计算公式可表示为P_k＝max(sum(Q_k(m′)))，其中sum(*)表示列方向求和运算，max(*)表示取最大值运算。

然后，可以将相关峰最大值作为代价值，通过预设遗传算法确定海底水平阵的最优阵形参数。在遗传算法中，优化目标参数是指描述阵列抛物线形状的相关参数，获得的相关峰最大值可作为遗传算法中的代价值。具体地，可以选择Differential Evolution(差分进化)的遗传算法，因为其具有易理解、易实现、控制变量少等特点。在选择DifferentialEvolution的遗传算法进行参数寻优时，即通过此遗传算法来确定海底水平阵的最优阵形参数时，当遗传算法终止条件满足时，可以获取最优的水平阵阵形参数估计值，即最优的1号基元位置[e_1，x，e_1，y]^T、方位旋转角φ_Δ和阵列弯曲度θ_Δ。最后，可根据拷贝阵形的计算公式，计算得到最终的阵形。

上述海底水平阵阵形校正方法，利用了水平阵的固有线性形状特点，采用参数化模型表示阵列形状，降低了阵形校正问题的参数维度。并且，本方法在阵列维度上描述水声信道响应，充分利用了阵元相对位置约束关系，通过寻找阵列信道匹配最大值获取估计阵形，避免了时延估计和位置解算两步法中的误差传递问题，使得阵形校正结果更加可信。

图2-图4所示的在一个具体实施方式中，利用上述的海底水平阵阵形矫正方法进行数值仿真实验的结果。具体地，仿真实验场景设计如下：三维场景中存在10个声源发射点，1-10号声源发射点的三维空间位置分别为[2735.63，3179.05，6]、[-111.49，3164，6]、[-1935.63，2658.08，6]、[-2743.73，1248.87，6]、[2914.89，-1148.60，6]、[-1972.00，-3291.72，6]、[2187.24，-3683.63，6]、[3486.20，-1752.47，6]、[4188.97，-108.33，6]和[2066.15，958.62，6]。仿真阵列基元个数为128，基元间距6.25m，阵列布放水深为1245m，128基元阵列的位置按照步骤3-1所描述的抛物线近似方法生成。例1，具体参数为1号基元位置设定为[-369.61，-135.97，1245]，阵列弯曲度为20度，方位旋转角度为8度，获得阵形校正仿真态势如图2所示，为便于展示，在图2中仅画出第1、18、35、52、69、86、103和120号共8个基元的位置(重新定义为1-8号基元，用于后续描述)。根据仿真场景可计算出声源发射点与基元之间的几何参数(距离差和深度差)，拷贝阵列信道冲激响应通过Bellhop模型计算，Bellhop模型的环境输入参数设置如下：选取的声速剖面如图3所示，信号中心频率设置为3.75kHz，海底底质设置为单层底质，海底纵波速度为1550m/s，吸收系数为1.5dB/λ(λ表示发射声信号的波长)，底质密度为1.6g/cm³。例2，按照例1的场景设置，结合以上环境输入参数获得的拷贝阵列信道如图4所示。在仿真环节，实测阵列信道响应由阵列仿真数据与发射数据匹配滤波获得，具体参数设置如下：原始发射信号为线性调频信号，中心频率为3.75kHz，信号周期为8s，信号脉宽为50ms，信号带宽为500Hz，仿真阵列信道响应通过Bellhop模型计算获得。例3，基于仿真数据进行阵列匹配滤波获得的相关峰结果如图5所示(选取1号发射点)。根据上述仿真条件，采用步骤5所述的遗传算法对水平阵阵形参数寻优。遗传算法的代价函数随迭代次数的收敛曲线如图6所示，阵列信道匹配效果如图7所示，阵列估计结果如图8所示。从图中可知，本发明所述方法通过参数寻优可获得与实测阵列信道(仿真)高度匹配的阵形估计结果，在前面设置的仿真条件下阵列位置估计误差为0.6m，从理论上验证了该方法的有效性。

为进一步验证上述海底水平阵阵形矫正方法相对现有正则反演方法的优势，可以采用某次海试的实测数据对该方法进行验证。试验场景、环境参数、信号参数与前面的仿真条件一致，布放阵列为128基元海底水平阵。为显示方便，仅选取第1、15、29、43、57、71、85、99、113和127号共10个基元的位置估计结果进行展示(重新定义为1-10号基元，用于后续描述)。图9为遗传算法的代价函数随迭代次数的收敛曲线，可见迭代300次后，本发明所述方法基本收敛。基于实测数据的阵列信道匹配效果如图10所示，从图中可见，本发明所述方法能较好的克服水声多径的影响，所估计的阵列信道响应与实测阵列信道响应高度一致。基于本发明所述方法与现有正则反演方法获得的阵列估计结果如图11所示，从图中可见，两种估计方法获得的阵形估计结果与实际布放时的阵头/尾入水位置在方位上较一致，但整体阵列位置偏移不一样。实际情况中，阵列在海底的真实位置无法获取，因此从图11无法确定何种方法精度更高。为了进一步说明本发明所述方法相对于现有正则反演方法的优势，基于两种方法的估计结果，对特定目标进行近场聚焦波束形成，通过比对方位和距离估计结果来说明方法的优越性。图12和图13分别为两种方法对特定目标的方位和距离估计误差，除去异常值后计算获得本发明所述方法的方位估计误差为3.13度，距离估计误差为267.7m，现有正则反演方法的方位估计误差为3.83度，距离估计误差为287.6m。可见，近场聚焦结果表明本发明所述方法具有更高的阵形估计精度。

本发明实施例提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行上述海底水平阵阵形校正方法。

在一个实施例中，提供了一种海底水平阵阵形校正装置，包括上述的处理器。

所述海底水平阵阵形校正装置包括处理器和存储器，由处理器执行存储在存储器中的程序模块中实现相应的功能。

处理器中包含内核，由内核去存储器中调取相应的程序单元。内核可以设置一个或以上，通过调整内核参数来实现上述海底水平阵阵形校正方法。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)，存储器包括至少一个存储芯片。

本发明实施例提供了一种存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现上述海底水平阵阵形校正方法。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图14所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器A01、网络接口A02、存储器(图中未示出)和数据库(图中未示出)。其中，该计算机设备的处理器A01用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括内存储器A03和非易失性存储介质A04。该非易失性存储介质A04存储有操作系统B01、计算机程序B02和数据库(图中未示出)。该内存储器A03为非易失性存储介质A04中的操作系统B01和计算机程序B02的运行提供环境。该计算机设备的网络接口A02用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序B02被处理器A01执行时以实现一种海底水平阵阵形校正方法。

本领域技术人员可以理解，图14中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

本发明实施例提供了一种设备，设备包括处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，处理器执行程序时实现海底水平阵阵形校正方法的步骤。

本申请还提供了一种计算机程序产品，当在数据处理设备上执行时，适于执行初始化有海底水平阵阵形校正方法步骤的程序。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。