有限空间中复杂阵列幅相一致性校准方法研究
摘要
声纳阵列以其具有较强的信号增益、极强的干扰抑制力及高的空间分辨力等优点，
使它成为水声学中应用最广泛的一种装置。然而，阵列的指向性及空间增益等性能受到
许多因素的影响，主要有增益误差、阵元位置偏移、幅相误差以及阵元间耦合等。在声
纳阵列的成阵过程中，复杂阵列的阵元之间主要采用密排方式布阵，由于受到阵列尺寸
和成阵工艺的影响，阵元之间存在一定的位置偏差且阵元间存在声场耦合，成阵后阵元
间的幅相一致性难以保证，不可避免的存在阵元间的初始幅值和相位差，这种偏差会对
阵列的信号处理产生一定影响，因此，需要在成阵后进行阵列在线校准，以确定阵列系
统的各项参数。
在水声学领域，受到水介质中声传播速度的限定，低频声波波长较长，深度足够的
湖上水域较为宽阔，操作平台稳定，声场模型相对简单，可以进行阵列的各项复杂测试
及校准工作。但更多情况下，阵列的研制与测试一般需要在室内水池进行，室内消声水
池只能够在一定频段内模拟自由场，低频水声测量所需要的自由场在室内实验室环境下
较难满足。因此，为了满足水声计量的要求，本文围绕有限空间复杂阵列幅相一致性校
准问题展开研究，提出有限空间中全息声场重构与匹配搜索补偿相结合的复杂阵列幅相
一致性校准方法。首先，结合有限空间中近场声全息声场分离技术及匹配搜索算法的寻
优思想，建立幅相一致性搜索函数，寻求满足阵元间幅相一致性校准方法的目标函数值，
通过补偿修正实现复杂阵列阵元幅相一致性校准；然后，为了提高实际测量阵列应用时
的DOA估计性能，在自由场中对复杂阵列幅相一致性再次进行在线搜索补偿。
本文以小型圆柱阵和直线阵为分析对象，开展柱形有限空间声场理论建模与仿真分
析，基于声场分离技术，完成有限空间中的声场重构，研究稳定声场的构建条件，分析
各项测试参数对声场重构精度的影响，并结合智能优化算法，实现阵列阵元间幅相一致
性校准。同时，建立测量阵列与信号方向性误差估计数学模型，结合最优化问题的匹配
搜索方法，实现阵列幅相一致性搜索补偿。通过计算机仿真及试验验证，完成了阵元高
精度校准，证明了该方法能准确获得阵列阵元间幅相一致性且校准后能有效地提高阵列
DOA估计性能。
关键词：幅相一致性校准；近场声全息；声场分离技术；优化算法；DOA估计
有限空间中复杂阵列幅相一致性校准方法研究
ABSTRACT
Sonararrayisoneofthemostwidelyuseddevicesinunderwateracousticsbecauseofits
strongsignalgain,stronginterferencesuppressionandhighspatialresolution.However,the
directivityandspatialgainofthearrayareaffectedbymanyfactors,suchasgainerror,array
positionmigration,amplitude-phaseerrorandinterarraycoupling.Inthearrayformation
processofsonararray,thearrayelementsofcomplexarrayaremainlyarrangedincloserows.
Duetotheinfluenceofarraysizeandarrayformationtechnology,thereisacertainposition
deviationbetweenthearrayelementsandthesoundfieldcouplingbetweenthearrayelements.
Afterarrayformation,itisdifficulttoguaranteetheamplitudeandphaseconsistencybetween
thearrayelements,andthereisaninevitablei