小尺度声纳阵稳健方位估计研究
摘要
随着无人平台在水声探测中的应用日益广泛，小尺度声纳逐渐成为研究的热点。
小尺度声纳阵不仅具有尺寸小、安装方便的优点，还可以实现对低频目标的方位估计。
但与此同时由于其基阵物理尺寸小，低频方位估计性能不及传统大孔径声纳，且对阵
列误差和运动更为敏感，使方位估计的鲁棒性受到影响。本文基于小平台上四元十字
阵的稳健方位估计展开研究，一方面对影响阵列方位估计稳健性的因素进行研究分析，
一方面针对阵列通道间相位误差问题提出校准的方法，提高阵列方位估计的精度和可
靠性。
首先，基于四元十字阵对小尺度声纳阵方位估计方位及性能展开研究。论文基于
四元十字阵，构建分析了其接收信号模型以及各向同性噪声模型，以此为基础，给出
了四元十字阵基于互功率谱和MUSIC法的两种方位估计方法，并对两种方位估计方法
的影响因素进行了分析，重点对通道间相位差误差对方位估计的影响进行了分析，给
出了不同环境下的四元十字阵方位估计性能。
其次，针对阵列通道间相位不一致引起方位偏离真实方位问题，提出了四元十字
阵通道间相位误差的外场校准方法。首先利用阵列和辅助源的GPS信息，给出了四元
十字阵通道间相位差偏差的直接校准方法，并对其性能进行了仿真分析；然后考虑在
阵列罗经存在偏差的条件下，提出一种基于多个方位辅助源条件下同时对阵列罗经误
差和通道间相位差偏差进行校准的数学模型，并分别基于直接搜索法和牛顿迭代法对
阵列误差进行校准，然后通过仿真分析了其性能。
最后，基于四元十字阵对通道间相位差偏差进行校准试验。首先在空气中对双水
听器通道间相位差特性进行了测试，分析了通道间相位差特性以及对多途干扰对相位
校准的影响；然后在水池中对阵列进行相位校准，对水池环境近场环境以及多途干扰
对相位校准的影响进行仿真分析，在水池中进行校准试验并对试验数据进行处理；最
后在海洋环境下对基阵进行相位校准，通过试验数据对校准方法进行了验证。
关键词：小尺度阵；方位估计；误差分析；相位校准；
小尺度声纳阵稳健方位估计研究
Abstract
Withtheincreasingapplicationofunmannedplatforminunderwateracousticdetection,
smallscalesonarhasgraduallybecomearesearchhotspot.Thesmall-scale-sonararraynotonly
hastheadvantagesofsmallsizeandconvenientinstallation,butalsocanrealizetheazimuth
estimationoflowfrequencytargets.Atthesametime,duetothesmallarraysize,thelow
frequencyazimuthestimationperformanceisnotasgoodasthatoftraditionallargeaperture
sonar,anditismoresensitivetoarrayerrorandmotion,sotherobustnessofazimuthestimation
isaffected.Thisthesisstudiestherobustazimuthestimationbasedonafour-elementcrossarray
onasmallplatform.Ontheonehand,thefactorsaffectingtherobustnessofthearrayazimuth
estimationarestudiedandanalyzed.Ontheotherhand,acorrectionmethodisproposedforthe
phasedifferenceerrorbetweenthearraychannels