专利摘要
专利摘要
本实用新型公开了一种基于夹角可调三维阵的非圆信号水下DOA估计装置，使用一个二维夹角可调的均匀三维线阵作为接收阵列，这种阵列能够进行灵活测量，通过实现线阵在二个维度上的夹角可调进行多次测量，可以达到提升估计性能的目的。为了克服水声环境中信号快速衰减的问 题，通过将非圆信号应用到水下DOA估计中，采用基于非圆信号的NC‑ESPRIT算法，以提升估计性能；为了消除声速影响造成的估计偏差，采用声速无关的二维DOA估计表达式；同时为了实现三维夹角可调均匀线阵下的三组参数的成功配对，采用了一种基于子空间投影角度配对的三参数配对方法，提升了水下DOA估计精度。综上，本实用新型估计精度高，具有较强的实用性。
权利要求
1.一种基于夹角可调三维阵的非圆信号水下DOA估计装置，其特征在于，所述的估计装置包括数据处理与控制模块、以及分别与数据处理与控制模块相连的发射模块、接收模块、输出模块和电源模块，其中，所述的数据处理与控制模块包括依次连接的A/D转换器、D/A转换器和处理器，
所述的发射模块包括依次连接的功率放大器、阻抗匹配电路和超声波发射探头，通过D/A转换器与处理器相连，根据处理器发出的指令发射指定的非圆信号；
所述的接收模块采用三维夹角可调均匀线阵，所述的三维夹角可调均匀线阵包括一个L型阵列和一个具有2自由度的旋臂阵列，其中L型阵列的2个子线阵分别设为线阵1和线阵2，具有2自由度的旋臂阵列设为线阵3，线阵1排布于坐标系x轴上，线阵2排布于坐标系y轴上，线阵3具有2自由度的旋转特性，线阵3与线阵1的夹角为Δx，线阵3与线阵2的夹角为Δy，夹角Δx和夹角Δy可调节，线阵1、线阵2和线阵3都为均匀线阵并都有M个接收阵元，阵元的平均间距为d；
所述的输出模块包括USB接口和显示器，将数据处理与控制模块中处理完毕的数据通过USB接口输出到外部装置或者显示器进行显示；
所述的电源模块分别与数据处理与控制模块、发射模块、接收模块和输出模块相连并进行供电。
2.根据权利要求1所述的基于夹角可调三维阵的非圆信号水下DOA估计装置，其特征在于，所述的线阵3分别安装在步进电机1和步进电机2上，由步进电机带动旋转，所述的步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，当步进电机驱动电路收到一个脉冲信号，其驱动步进电机按设定的方向转动固定的角度，称为步距角，通过使数据处理与控制模块发射一定数量的脉冲信号来达到期望的角度值。
3.根据权利要求1所述的基于夹角可调三维阵的非圆信号水下DOA估计装置，其特征在于，所述的线阵1、线阵2和线阵3通过塑料材质的固定支架连接。
说明书
技术领域
本实用新型涉及目标定位的技术领域，具体涉及一种基于夹角可调三维阵的非圆信号水下DOA估计装置。
背景技术
空间信号波达方向估计(DOA估计)在众多领域已得到广泛应用，二维水下DOA估计就是指在水面放置传感器阵列利用阵列信号处理技术来对水下目标物进行二维波达方向估计的方法。现有的水下DOA估计方法主要有MUSIC算法和ESPRIT算法。
水下DOA估计采用声波作为传播载体，由于声波信号在水下环境传播时，水声信道中的各种障碍物及崎岖不平的海底造成的声波散射作用，导致了信号的衰减。除了水声环境造成信号的快速衰减，水下DOA估计面临的另一个问题就是声速影响。由于河流和海洋等水下环境复杂且不稳定，声波的速度随位置和时间而变化，水下DOA算法的估计精度受到很大影响，当实际声速偏离预先设定速度，估计精度将因此降低。
基于非圆信号的DOA估计算法中，非圆信号伪协方差矩阵不为零的特征相当于虚拟扩展阵列，能够显著的提高估计性能。同时非圆信号虚拟阵元的增加也使得算法可以处理多于阵列个数的信源个数。但是目前基于非圆信号的二维波达方向估计方法多采用固定直角的正交线阵结构。这类常规阵列结构固定，不易变动，对结构稳定性要求比较高，对应的灵活性下降。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于夹角可调三维阵的非圆信号水下DOA估计装置，通过对均匀线阵的接收信号进行处理，在二维DOA波达方向估计中消除声速这个因子，从而消除水下声速不确定性对目标定位精度的影响。同时由于均匀线阵的二维夹角可变，给阵列的排布方式带来了很大的灵活性，在实际测量中可以改变夹角进行多次测量，更好地消除误差。
本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于夹角可调三维阵的非圆信号水下DOA估计装置，所述的估计装置包括数据处理与控制模块、以及分别与数据处理与控制模块相连的发射模块、接收模块、输出模块和电源模块，其中，所述的数据处理与控制模块包括依次连接的A/D转换器、D/A转换器和处理器，
所述的发射模块包括依次连接的功率放大器、阻抗匹配电路和超声波发射探头，通过D/A转换器与处理器相连，根据处理器发出的指令发射指定的非圆信号；
所述的接收模块采用三维夹角可调均匀线阵，所述的三维夹角可调均匀线阵包括一个L型阵列和一个具有2自由度的旋臂阵列，其中L型阵列的2个子线阵分别设为线阵1和线阵2，具有2自由度的旋臂阵列设为线阵3，线阵1排布于坐标系x轴上，线阵2排布于坐标系y轴上，线阵3 具有2自由度的旋转特性，线阵3与线阵1的夹角为Δx，线阵3与线阵2 的夹角为Δy，夹角Δx和夹角Δy可调节，线阵1、线阵2和线阵3都为均匀线阵并都有M个接收阵元，阵元的平均间距为d；
所述的输出模块包括USB接口和显示器，将数据处理与控制模块中处理完毕的数据通过USB接口输出到外部装置或者显示器进行显示；
所述的电源模块分别与数据处理与控制模块、发射模块、接收模块和输出模块相连并进行供电。
进一步地，所述的线阵3分别安装在步进电机1和步进电机2上，由步进电机带动旋转，所述的步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，当步进电机驱动电路收到一个脉冲信号，其驱动步进电机按设定的方向转动固定的角度，称为步距角，通过使数据处理与控制模块发射一定数量的脉冲信号来达到期望的角度值。
进一步地，所述的线阵1、线阵2和线阵3通过塑料材质的固定支架连接。
进一步地，所述的一种基于夹角可调三维线阵和非圆信号在未知声速环境进行的水下二维波达方向估计装置的估计方法，该方法将测量N2次不同的线阵夹角值，所述的估计方法步骤如下：
S1、建立三维夹角可调均匀线阵的阵列信号接收模型，所述的三维夹角可调均匀线阵包括一个L型阵列和一个具有2自由度的旋臂阵列，其中 L型阵列的2个子线阵分别设为线阵1和线阵2，具有2自由度的旋臂阵列设为线阵3，线阵1排布于坐标系x轴上，线阵2排布于坐标系y轴上，线阵3具有2自由度的旋转特性，线阵3与线阵1的夹角为Δx，线阵3与线阵2的夹角为Δy，夹角Δx和夹角Δy可调节，线阵1、线阵2和线阵3 都为均匀线阵并都有M个接收阵元，阵元的平均间距为d；以坐标系原点为参考点，假设入射到阵列上的水下目标总个数为K，第k个目标的方位角和仰角可表示为θk和φk，θk∈[0,π]， 同时目标与坐标系x轴、y轴的夹角分别αk和βk，目标信号满足窄带条件，即当目标信号延迟远小于带宽倒数时，延迟作用相当于使基带信号产生一个相移，快拍数为L，线阵1、线阵2和线阵3的接收数据矩阵分别表示为X、Y和Z：
X＝AxS+Nx (1)
Y＝AyS+Ny (2)
Z＝AzS+Nz (3)
其中S是一个K×L维的源信号矩阵，Nx,Ny和Ny则是M×L维的噪声矩阵，Ax、Ay和Az则是由方位角θk和仰角φk表示的M×K维导向向量矩阵；
S2、利用基于NC-ESPRIT的非圆信号一维DOA估计算法求出线阵1、线阵2和线阵3对应的特征值参数uk、vk和wk,k＝1,2,…,K；
S3、对夹角可调三维阵列中线阵1、线阵2和线阵3对应的特征值参数uk、vk和wk进行参数配对；
S4、求解目标的二维波达方向估计解，即对于第k＝1,2,…,K个目标，求出方位角θk和仰角φk的估计值；
S5、对不同阵列夹角条件下获得的N2组估计值进行加窗函数处理，得到最优估计结果。
进一步地，所述的步骤S1中，根据信号的非圆特性有S＝ΦSR，其中 为信号的非圆相位，将公式(1)、(2) 和(3)写成
X＝AxΦSR+Nx (4)
Y＝AyΦSR+Ny (5)
Z＝AzΦSR+Nz (6)
其中导向向量矩阵Ax、Ay和Az表示为：
Ax＝[ax(θ1,φ1) ax(θ2,φ2) … ax(θK,φK)] (7)
Ay＝[ay(θ1,φ1) ay(θ2,φ2) … ay(θK,φK)] (8)
Az＝[az(θ1,φ1) az(θ2,φ2) … az(θK,φK)] (9)
对于第k个目标，则有
ax(θk,φk)＝[ax，0(θk,φk) … ax，M-1(θk,φk)]T (10)
ay(θk,φk)＝[ay，0(θk,φk) … ay，M-1(θk,φk)]T (11)
az(θk,φk)＝[az，0(θk,φk) … az，M-1(θk,φk)]T (12)
设线阵3在xoy平面的投影与x轴的夹角为θz，线阵3与z轴的夹角为φz，根据线阵1、线阵2、线阵3与坐标轴的夹角关系，得到：
由于导向向量受目标-原点连线与线阵之间的夹角影响，因此得到
其中λk为声波的波长，即均匀线阵两相邻阵元之间的间距d要小于声波信号的半波长，而声波在探测路径上的速度v是未知的，因此取v为其范围中的最小值以确定λk的值。
进一步地，所述的步骤S2过程如下：
针对线阵1重构接收信号阵列，首先定义一个行交换矩阵J
利用行交换矩阵J重构接收信号矩阵，重构后的接收信号矩阵Wx表示为：
其中 并构建Wx的协方差矩阵Rw：
其中Rs是源信号实部SR的协方差矩阵， 是噪声分量的方差，I2M为 2M×2M的单位矩阵，对协方差矩阵Rw进行特征值分解得到
因为信号子空间Us与Bx的关系有：span{Us}＝span{Bx}，因此存在一个满秩矩阵T使得UsT＝B，定义矩阵T1＝[0(M-1)×1 IM-1]，T2＝[IM-1 0(M-1)×1]以及行交换矩阵 其中Ο为(M-1)×M维的零矩阵；
协方差矩阵Rw的估计值 通过采样得到
其中L为快拍数，
对 进行特性分解得到特征向量矩阵Us的估计值 构建矩阵 并对该矩阵进行第二次特征分解，得到特征向量矩阵δx，δx为对角矩阵：
即得到uk，k＝1,2,…,K；
同理得到线阵2和线阵3对应的参数vk和wk，其中vk对应的表达式写为：
由于线阵3是一个一端固定于原点进行自由旋转的阵列，其中wk对应的表达式写为：
进一步地，所述的步骤S3过程如下：
首先构造矩阵Q＝[X,Y,Z]T＝A·S+NQ，其中NQ为对应的3M×L维噪声矩阵，导向向量矩阵A由Ax、Ay和Az构成，有：
A＝[Ax,Ay,Az]T (26)
获取Q的协方差矩阵RQ有：
RQ＝Q·QH (27)
对RQ进行特征值分解，获得对应的噪声子空间UNQ，由于导向向量矩阵与噪声子空间存在正交关系即：AH·UNQ＝Ο和 构造代价函数 F如下：
构造导向向量a(θi,φi)＝[u,v,w]T，其中u,v,w都是K×1维的向量，分别为三组特征值参数uk,vk和wk的一种排列组合，一共组合出K3组导向向量，其中代价函数最大值的K组所对应的组合即为参数配对成功的组合。
进一步地，所述的步骤S4中求解目标的二维波达方向估计解的过程如下：
对于第k个目标，求出方位角θk和仰角φk的估计值，利用步骤S3中配对完成的参数uk、vk和wk得到方位角θk和仰角φk的估计：
进一步地，所述的步骤S5中对不同阵列夹角条件下获得的N组估计值进行处理的过程如下：
调节两均匀线阵之间的夹角Δx和Δy，其中Δx取N组，Δy取N组，每一次得到(Δxi,Δyj),i＝0,1，2,…,N-1,j＝0,1，2,…,N-1，设第N·i+j次估计，两均匀线阵之间的夹角为 重复步骤S1至步骤S5，得到目标波达方向估计的第N·i+j组估计值，由于对于不同的线阵夹角(Δxi,Δyj)，由公式(29)求出对应的波达方向角，估计结果Pij有：
对N2个结果进行加窗处理以获取最优估计结果，首先求出目标的二维角度区间，对N2组估计结果取平均值，得出K个目标的平均估计值
根据第k个目标的平均值 判断目标所处的二维角度区间，若
则认为第k个目标处于第(nk,mk)二维角度区间；
构造加权增益矩阵Gij：
Gij＝diag{g(i-Δi1,j-Δj1),g(i-Δi2,j-Δj2),…,g(i-ΔiK,j-ΔiK)} (33)
其中g(i,j)是一个二维窗函数，偏移量Δik和Δjk与第k个目标所处的二维角度区间有关，存在以下关系：
对N2组估计结果进行窗函数加权，以得出K个目标的最优估计值P：
进一步地，所述的二维窗函数g(i,j)为高斯窗、汉明窗、矩形窗或切比雪夫窗。
本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本实用新型采用2个维度夹角可调的三维均匀线阵作为接收阵列，再利用基于非圆信号的NC-ESPRIT算法进行二维水下波达方向估计。本实用新型充分利用信号的非圆特性可以扩展阵列孔径，使得DOA估计更加精确。不仅如此，虚拟阵元的增加也使得算法能够估计更多的信源数。
2、本实用新型与传统的采用固定L型直角阵列的方法相比，增加了一条2自由度的旋臂阵列，实现了三维线阵之间的二维夹角可变，通过取不同值进行多次测量，可以更好的消除误差，提高了估计结果的角度分辨力，侧向精度和抗模糊性，同时还使超声波接收探头的摆放具有很强的灵活性。
3、本实用新型与利用传统的二维DOA算法进行水下目标波达方向估计的方法相比更具有实用性，估计精确度也更高。传统的二维DOA算法通常假定声速为一个常量，而在实际的复杂水下环境中，声速往往是不断变化的，如果把其当成一个常量来进行计算的话，会导致较大的误差。本实用新型采用夹角可以调节的三维均匀线阵，通过阵列夹角与波达方向角之间的关系消去了声速这个变量，使得最后的运算结果与声速无关，从而提高了估计精度。
4、本实用新型装置在传统的测量装置上进行了改进，使用夹角可调节的均匀线阵，可行性强，安装简单。除此之外，现代处理器计算处理能力的不断提高，这使得本实用新型所使用的处理器等芯片的集成度高，并且计算能力强，从而保证了本实用新型的可行性。
附图说明
图1是本实用新型装置的硬件结构模块图；
图2是本实用新型装置中三个阵列的接收阵元与处理器连接示意图；
图3是本实用新型装置中三维夹角可调线阵的阵元三维排布图；
图4是本实用新型装置中子线阵3的旋转连接示意图；
图5是本实用新型所用的三维夹角可调均匀线阵模型示意图；
图6是x 轴均匀线阵的接收信号模型；
图7是本实用新型公开的基于夹角可调三维阵的非圆信号水下DOA 估计方法流程图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例一
本实施例采用三维均匀线阵，其中2个线阵可以进行旋转以实现2个维度方向的阵列夹角可调，窄带目标声源为S，中心频率为f。声波入射方向，即方位角和仰角可表示为θk和φk(θk∈[0,π]， )；本实施例方法将测量N次不同的线阵夹角值。
如附图7所示，本实施例中基于非圆信号和二维夹角可调的三维线阵在未知声速环境进行水下二维DOA估计方法包括以下步骤：
S1、建立三维夹角可调均匀线阵的阵列信号接收模型。放置如图5所示的三维均匀线阵，可以看作由一个L型阵列和一个具有2自由度的旋臂阵列组成，L型阵列的2个子线阵分别设为线阵1和线阵2，具有2自由度的旋臂阵列设为线阵3，其中线阵1排布于坐标系x轴上，其中线阵2 排布于坐标系y轴上，线阵3具有2自由度的旋转特性，与线阵1的夹角为Δx(夹角可调节)，与线阵2的夹角为Δy(夹角可调节)。3个均匀线阵都有M个接收阵元，阵元的平均间距为d。以坐标系原点为参考点，假设入射到阵列上的水下目标总个数为K，第k个目标的方位角和仰角可表示为θk和φk(θk∈[0,π]， )，同时目标与坐标系x轴，y轴的夹角分别αk和βk。目标信号满足窄带条件，即当信号延迟远小于带宽倒数时，延迟作用相当于使基带信号产生一个相移。快拍数为L，三个子阵的接收数据矩阵可以分别表示为X、Y和Z：
X＝AxS+Nx (1)
Y＝AyS+Ny (2)
Z＝AzS+Nz (3)
其中S是一个K×L维的源信号矩阵，另外Nx,Ny和Ny则是M×L维的噪声矩阵，最后Ax,Ay和Az则是由方位角θk和仰角φk表示的M×K维导向向量矩阵。同时信号满足窄带条件，即当信号延迟远小于带宽倒数时，延迟作用相当于使基带信号产生一个相移。
根据信号的非圆特性有S＝ΦSR；其中 为信号的非圆相位。公式(1)(2)和公式(3)可以写成
X＝AxΦSR+Nx (4)
Y＝AyΦSR+Ny (5)
Z＝AzΦSR+Nz (6)
其中导向向量矩阵可以表示为：
Ax＝[ax(θ1,φ1) ax(θ2,φ2) … ax(θK,φK)] (7)
Ay＝[ay(θ1,φ1) ay(θ2,φ2) … ay(θK,φK)] (8)
Az＝[az(θ1,φ1) az(θ2,φ2) … az(θK,φK)] (9)
对于第k个目标，则有
ax(θk,φk)＝[ax，0(θk,φk) … ax，M-1(θk,φk)]T (10)
ay(θk,φk)＝[ay，0(θk,φk) … ay，M-1(θk,φk)]T (11)
az(θk,φk)＝[az，0(θk,φk) … az，M-1(θk,φk)]T (12)
设线阵3在xoy平面的投影与x轴的夹角为θz，线阵3与z轴的夹角为φz，根据三个子线阵与坐标轴的夹角关系，可以得到：
由于导向向量受目标-原点连线与线阵之间的夹角影响，因此可以得到
其中λk为声波的波长，即均匀线阵两相邻阵元之间的间距d要小于声波信号的半波长。而声波在探测路径上的速度v是未知的，因此取v为其范围中的最小值以确定λk的值。
S2、利用基于NC-ESPRIT的非圆信号一维DOA估计算法求出三个子线阵对应的特征值参数uk,vk和wk,k＝1,2,…,K；可以结合现有基于非圆信号的一维DOA估计算法获得，如NC-ESPRIT算法。以子线阵1为例，可以重构接收信号阵列：
首先定义一个行交换矩阵J。
利用行交换矩阵J重构接收信号矩阵，重构后的接收信号矩阵Wx表示为：
其中 并构建Wx的协方差矩阵Rw：
其中Rs是源信号实部SR的协方差矩阵， 是噪声分量的方差，I2M为单位矩阵，对协方差矩阵Rw进行特征值分解得到
因为信号子空间Us与Bx的关系有：span{Us}＝span{Bx}，因此存在一个满秩矩阵T使得UsT＝B。定义矩阵T1＝[0(M-1)×1 IM-1]，T2＝[IM-1 0(M-1)×1]以及行交换矩阵 其中Ο为(M-1)×M维的零矩阵。
实际情况中，协方差矩阵Rw的估计值 通过采样得到
其中L为快拍数，
对 进行特性分解得到特征向量矩阵Us的估计值 构建矩阵 并对该矩阵进行第二次特征分解，得到特征向量矩阵δx(对角矩阵)：
即得到uk,k＝1,2,…K；同理可得线阵2和线阵3对应的参数vk和wk。
其中vk对应的表达式写为：
由于线阵3是一个一端固定于原点进行自由旋转的阵列，其中wk对应的表达式写为：
S3、夹角可调三维阵列的三组特征值参数(即uk,vk和wk,k＝1,2,…,K) 进行参数配对；本专利采用了一种基于子空间投影角度的3参数配对，适用于本专利提出的阵列构型；
首先利用接收数据矩阵构造Q＝[X,Y,Z]T＝A·S+NQ，其中NQ为对应的 3M×L维噪声矩阵，导向向量矩阵A由Ax，Ay和Az构成有：
A＝[Ax,Ay,Az]T (26)
进一步地，获取Q的协方差矩阵RQ有：
RQ＝Q·QH (27)
对RQ进行特征值分解，获得对应的噪声子空间UNQ，由于导向向量矩阵与噪声子空间存在正交关系：AH·UNQ＝Ο和 可以构造代价函数F
构造导向向量a(θi,φi)＝[u,v,w]T，其中u,v,w都是K×1维的向量，分别为三组特征值参数uk,vk和wk的一种排列组合，一共可以组合出K3组导向向量，其中代价函数最大值的K组所对应的组合即为参数配对成功的组合。
S4、求解目标的二维波达方向估计解，即对于第k＝1,2,…,K个目标，求出方位角θk和仰角φk的估计值。对于第k个目标，求出方位角θk和仰角φk的估计值。利用上一步配对完成的参数uk,vk和wk,k＝1,2,…,K，可以得到方位角θk和仰角φk的估计：
S5、对不同阵列夹角条件下获得的N2组估计值进行窗函数加权处理，得到最优估计结果。调节两均匀线阵之间的夹角Δx和Δy，其中Δx取N 组，Δy取N组，每一次得到(Δxi,Δyj),i＝0,1，2,…,N-1,j＝0,1，2,…,N-1。
设第N·i+j次估计，两均匀线阵之间的夹角为 其中， i,j＝0,1,2,…,N-1，重复步骤一至步骤五，得到目标波达方向估计的第N·i+j 组估计值。由于对于不同的线阵夹角(Δxi,Δyj)，由公式(29)求出对应的波达方向角，估计结果Pij有：
MATLAB仿真结果表明，当目标入射方向位于夹角可调二维线阵的2 根子线阵之间，那么线阵夹角越小，DOA估计结果越准确。根据以上结论，本专利对N2个结果进行加窗处理以获取最优估计结果。首先求出目标的二维角度区间，对N2组估计结果取平均值，得出K个目标的平均估计值
根据第k个目标的平均值 判断目标所处的二维角度区间，若
则认为第k个目标处于第(nk,mk)二维角度区间。构造加权增益矩阵Gij：
Gij＝diag{g(i-Δi1,j-Δj1),g(i-Δi2,j-Δj2),…,g(i-ΔiK,j-ΔiK)} (33)
其中g(i,j)是一个二维窗函数(如高斯窗、汉明窗、矩形窗、切比雪夫窗等)，偏移量Δik和Δjk与第k个目标所处的二维角度区间有关，存在以下关系：
对N2组估计结果进行窗函数加权，以得出K个目标的最优估计值P：
实施例二
本实施例公开了一种基于二维夹角可调的三维均匀线阵的未知声速环境的二维水下波达方向估计装置，所述的估计装置包括数据处理与控制模块、发射模块、接收模块、输出模块和电源模块，如图1和图2所示。
数据处理与控制模块由一对多路A/D、D/A转换器和一个处理器组成，是整个装置的核心部分，其它所有模块都与它直接相连。它可以控制发射模块，使发射模块发射指定的信号；可以控制接收模块的夹角可调线阵，使线阵1和线阵2保持固定，线阵3以连接点为中心进行自由旋转，可转至设定值；同时能够对接收模块传过来的信号进行处理，通过本实用新型的算法计算出波达方向角，然后将结果传输至输出模块。
接收模块包括3个以均匀间距摆放的超声波探头阵列，步进电机和步进电机驱动电路。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，当步进电机驱动电路收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动固定的角度，称为步距角。所以可以通过使数据处理与控制模块发射一定数量的脉冲信号来达到期望的角度值。如图3所示，使线阵1排布于坐标系x轴上保持固定，线阵2排布于坐标系y轴上保持固定，因为接收模块会放置在水中，所以固定支架采用塑料材质以增大浮力。线阵3分别安装到步进电机1和步进电机2上，可由步进电机带动旋转，从而达到2维度夹角调节的目的，图4为线阵3与步进电机的连接旋转示意图，如图所示，步进电机1和步进电机2通过旋转转子与线阵3连接在一起，以控制线阵3的2自由度旋转。
发射模块由一个阻抗匹配电路和一个超声波发射探头组成，通过D/A 转换器与处理器相连，能够根据处理器发出的指令发射指定的信号。
输出模块由一个USB接口和一个显示器组成，并且与数据处理与控制模块和电源模块相连。它能够提供人机交互，将数据处理与控制模块中处理好的数据通过USB接口输出到外部装置或者在显示器上显示出来。
电源模块由一个电源组成，并且与数据处理与控制模块、发射模块、接收模块和输出模块相连。它能够为这些模块供电。
本实用新型装置的主要工作流程如下：在实测过程中根据需要发射的信号参数，通过数据处理与控制模块输入对应的参数，使处理器产生相应的数字信号，然后通过D/A转换后传给发射模块，超声波发射探头就能产生我们需要的信号并进行发射。线阵1和线阵3之间的夹角值Δx以及线阵2和线阵3之间的夹角值Δy可以通过数据处理与控制模块进行设定，处理器发送特定的脉冲信号到步进电机驱动电路，然后驱动步进电机转动至我们需要的角度。接收模块中的接收阵列收到从目标声源反射回来的信号后将其通过A/D转换成数字信号后发送给处理器，然后处理器根据本实用新型提供的算法计算出结果。最后数据处理与控制模块将计算结果传给输出模块，输出模块将结果通过USB接口传给外部设备或者通过显示器显示出来。电源模块为所有其它模块供电。
实施例三
本实施例公开了一种基于二维夹角可调的三维均匀线阵的未知声速环境的二维水下波达方向估计装置，所述的估计装置包括数据处理与控制模块、发射模块、接收模块、输出模块和电源模块，如图1和图2所示。
数据处理与控制模块可以用DSP芯片实现(如：TI公司 TMS320VC5509A型号的DSP芯片)，此DSP芯片可实现A/D转换和D/A 转换的功能，并能够实现三维均匀线阵的旋转算子和最终波达方向的计算；
接收模块中的步进电机采用东芝公司的23HY6606-CP型号的电机，此步进电机的步距角为1.8度，步进电机驱动电路采用东芝公司的 TC78S600FTG型芯片。此外接收模块还使用2个固定均匀直线阵列和1自由旋转的均匀直线阵列，其中每个阵列包括多个超声接收探头，并且数量相同，3个均匀阵列按图3所示组装；发射模块使用一个超声波发射探头；输出模块使用一个USB接口和一个LCD显示屏。图1即为本实用新型所述装置的硬件结构模块图。
本实用新型的主要工作步骤具体如下：
步骤T1、按图2连接好具体装置，其中接收模块中的每个均匀线阵中的阵元个数M统一定为8。利用数据处理与控制模块发送指令，控制超声发射探头发射超声信号s(t)，发射信号为初相位为20°，非圆率ρ＝1的BPSK 信号，信号的频率为fs＝10kHz，脉冲长度5ms；海水中声速范围大致为 1430m/s-1550m/s，则取最小声速为1430m/s，可以求出最小半波长为7.15cm。所以设置两个均匀线阵的平均间距为5cm，即第一个阵元和最后一个阵元相隔35cm。任意两相邻线阵之间的距离必须小于7.15cm，在满足此限制条件下可以任意选取阵元间距，这里3个均匀线阵的间距都取为4cm。线阵1与线阵3之间的夹角Δx设置8个不同的线阵夹角值分别为18°，36°， 54°，72°，90°，108°，126°，144°，162°，180°，同样地线阵2和线阵 3之间的夹角值Δy也设置8个不同的线阵夹角值分别为18°，36°，54°， 72°，90°，108°，126°，144°，162°，180°，即所有夹角组合为N＝64。在数据处理与控制模块设定线阵夹角值，首先将均匀线阵夹角Δx转为18°，夹角Δy也设置为转为18°。在水下放置一个目标声源，入射到水平阵列的二维波达方向角为(60°,45°)。
步骤T2、对超声接收探头线阵接收到的目标声源信号进行采样；线阵 1接收到的信号为x1(t),x2(t),…,x8(t)，线阵2接收的信号为y1(t),y2(t),…,y8(t)，线阵3接收的信号为z1(t),z2(t),…,z8(t)。共采样接收200次，并将接收到的信号传递给数据处理与控制模块进行分析处理。
步骤T3、信号在处理模块中的分析处理步骤具体如下：
1)根据接收到的信号分别得出3个均匀线阵的接收信号矩阵X Y和 Z，随后用基于非圆信号的一维NC-ESPRIT算法求出对应的参数uk,vk和 wk,k＝1,2,…,K。
2)利用求出的参数uk,vk和wk,k＝1,2,…,K，进行三组参数的配对。进行参数的全组合遍历，遍历并找到代价函数F最大值对应的参数组合，即参数配对完成。
3)求解目标的二维波达方向估计解，即对于第k个目标，求出方位角θk和仰角φk的估计值。利用已经配对成功的参数，根据公式(29)分别求出共K个二维波达方向角度(方位角θ和仰角φ)。
步骤T4、将计算出的二维波达方向角度信息存储下来，并传送给输出模块，使其通过USB接口输出给外部装置或者显示在LCD显示屏上。
步骤T5、按照设定，使用18°，36°，54°，72°，90°，108°，126°，144°，162°，180°的角度，旋转线阵3以改变夹角Δx和夹角Δy。并分64 次测量。根据每次计算出来的结果最后根据公式(35)进行二维高斯窗函数加权处理，根据本实用新型算法，估计出的二维波达方向角(60.15°, 44.89°)，对目标估计达到了预期精度，说明估计结果正确，本估计方法及装置可行。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
基于夹角可调三维阵的非圆信号水下DOA估计装置专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
动态评分
0.0