声相关计程仪基阵设计方法

　　在海底深度超过1 000 m的情况下,利用/波形不变性原理0工作的声相关计程仪(ACL)[1]无论是在导航定位、海底勘探、海洋资源开发以及军事等领域,都有广阔的应用前景。

　　ACL采用垂直向海底发射编码单脉冲,利用多个阵元构成一个接收基阵。任意两个接收阵元产生大小相等方向相反的位置矢量,所有位置矢量组成一个矢量集合。根据不同阵元接收海底混响回波信号的相关性,可以形成位置矢量集合与相关系数之间的映射关系,利用不同的曲面拟合方法形成不同的测速方法。测速精度除了与发射波形、信噪比等因素有关,还与接收阵元的个数及基阵的分布形式有关。

　　国内外学者对基于一维线阵的设计进行了深入研究,Arsac[2]给出了无冗余线阵的设计方法,并将其应用于射电天文学中;在此基础上,Alan TMoffet提出了约束最小冗余线阵(RMRLA)的概念[3],使得在相同阵元的情况下,可以获得比均匀线阵大得多的位置矢量数,从而提高空间采样率;S W Lang[4]基于阵元位置矢量分布趋于均匀的理念,提出了适应于最大似然(MLM)和最大熵(MEM)估计算法的线阵设计。事实上,当阵元位置矢量分布均匀时,文献[4]可以归结为类似无冗余线阵的设计方法。刘学斌[5]将文献[3]中的范例进行归纳总结,提出了一种快捷的线阵设计方法,设计的基阵在结构上类似于均匀线阵,并将设计结果与基于RMRLA的结果进行了比较;国内其他学者采用RMRLA实现了MUSIC算法[6]、ESPRIT算法[7]、TLS_ESPRIT快速算法[8]等,既提高了阵列孔径的利用率,又不降低谱估计性能。基于RMRLA的一维线阵的设计方法最终归结为计算量巨大的基阵结构搜索过程。文献[5]虽然减少了计算量,但是设计的阵形结构受到限制。

　　由于线阵只能测量一维船速,因此即便是线阵平行于船龙骨放置,由于海流、风以及转弯存在船的惯性等原因,都需要测量二维船速。YingboHua[9]研究了利用均匀线阵构成的/L0阵,并通过计算克拉美-罗界证明/L0阵比传统的简单2-D基阵,如十字交叉阵、方阵、三角阵等的克拉美-罗界要小,说明其测速精度要高;Robinon[10]在专利中详细介绍了由五阵元构成的非均匀线阵的结构及产生的位置矢量,并利用该五阵元非均匀线阵形成的5@5二维基阵用于二维测速;英国研制的相关测速计程仪COVELIA[11]采用6@6的均匀线阵构成二维测速基阵,利用该种基阵结构尽管产生的位置矢量冗余比较大,但是由于位置矢量在四象限均匀分布,有利于迭代算法的实现。文章在该种基阵结构的前提下,给出了最大似然和最小二乘算法的具体实现过程,并通过误差分析比较了各种算法的优劣。

　　由于/L0阵等简单二维阵位置矢量存在的缺陷,而文献[10-11]中所用阵元数较多,造成基阵尺寸增大,产生的位置矢量存在较大冗余。为了提高阵列孔径的利用率,郭纪捷[12]将利用较少阵元数产生的稀疏基阵分为均匀阵、蜂窝阵和非均匀阵三种,例如RDI[13]和中科院声学所[14]采用由8个接收阵元构成的稀疏基阵实现二维测速,并将差分方程的一部分算法结合到布阵技术中。文献[13-14]所采用的基阵形式在文献[12]中被称为均匀阵。