技术领域
[0001] 本实用新型涉及水下目标
定位技术领域，具体涉及一种基于夹角可调双L阵的水下二维波达方向估计装置。
背景技术
[0002] 阵列
信号处理领域中的一个关键问题就是信号波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计，其中水下波达方向估计作为阵列
信号处理的一大重要研究领域，广泛应用于海洋勘测、水下声呐系统等。原始的DOA估计都是一维DOA估计，即指在单一平面内估计目标信号的方位角，这种一维波达方向角的估计存在很大的局限性，在实际水下目标定位中，处于三维空间的目标需要二维方向角度才能准确定位，因此二维波达方向估计是一个极具现实意义的问题。波达方向估计中最经典的
算法是基于特征分解的子空间算法，主要包括多重信号分类(MUSIC)算法和借助选择不变性进行信号参数估计(ESPRIT)算法，目前常用这两种算法应用于均匀L型阵列、均匀矩形阵列等二维线阵进行二维DOA估计。二维MUSIC算法是一种基于一维DOA估计而提出的渐进无偏的波达方向估计算法，由于二维MUSIC算法要进行二维的谱峰搜索，所以其计算量十分巨大。ESPRIT算法无需进行谱峰搜索从而极大地减小了计算量，因此该算法得到了广泛的应用，但是将二维ESPRIT算法直接用于二维DOA估计时，会存在角度
配对的问题，从而增加了计算量。同时，现有的水下DOA估计算法需要把水下声速当成一个已知量，而在水下环境中，声速跟许多环境因素有关，是一个不断变化的参数，因此用一个固定的声速参数进行水下DOA估计会产生较大的误差。
[0003] 基于上述传统信号波达方向估计的装置所用双L线阵中两水平线阵夹角是固定的，无法设置多组角度进行多次测量，测量
精度较低，存在过多误差。实用新型内容
[0004] 本实用新型的目的是针对
现有技术的不足，提供了一种基于夹角可调双L阵的水下二维波达方向估计装置，所述装置在传统的测量装置上进行了改进，使用夹角可调节的双L阵，可行性强，安装简单。
[0005] 本实用新型的目的可以通过如下技术方案实现：
[0006] 一种基于夹角可调双L阵的水下二维波达方向估计装置，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；数据处理与
控制模块控制发射模块发射
指定的信号，控制接收模块使两水平线阵的夹角转至设定值，还能够对接收模块传过来的信号进行处理，计算出二维波达方向角，然后将计算结果传输至发射模块，电源模块为数据处理与控制模块、发射模块、接收模块和输出模块提供电源。
[0007] 所述数据处理与控制模块由一对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，与其它所有模块直接相连。
[0008] 所述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，通过数据处理与控制模块中的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。
[0009] 所述接收模块由三个
超声波接收探头阵列和步进
电机以及步进电机驱动电路组成，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，能够驱动步进电机按设定的方向转动固定的角度，称为步距角，从而通过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。
[0010] 所述输出模块由一个USB
接口和一个显示器组成，并与数据处理与控制模块和电源模块相连，所述输出模块能够提供
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。
[0011] 所述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来为这些模块供电。
[0012] 本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0013] 本实用新型基于夹角可调双L阵的水下二维波达方向估计装置在传统的测量装置上进行了改进，使用夹角可调节的双L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
[0014] 图1为本实用新型
实施例基于夹角可调双L阵的水下二维波达方向估计装置的结构图。
[0015] 图2为本实用新型实施例接收模块的连接示意图。
[0016] 图3为本实用新型实施例接收模块的连接俯视图。
[0017] 图4为本实用新型实施例接收模块的连接示意图。
[0018] 其中，1-水平阵列A1，2-水平阵列A2，3-垂直阵列A3，4-步进电机，5-步进电机驱动电路，6-固定
支架，7-
定子，8-
转子。
具体实施方式
[0019] 下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
[0020] 实施例：
[0021] 本实施例提供了一种基于夹角可调双L阵的水下二维波达方向估计装置，结构图如图1所示，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；
[0022] 所述数据处理与控制模块由一对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，与其它所有模块直接相连；它能够控制发射模块发射指定的信号，能够控制接收模块，使两水平线阵的夹角转至设定值；还能够对接收模块传过来的信号进行处理，计算出二维波达方向角，然后将计算结果传输至发射模块。
[0023] 所述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，通过数据处理与控制模块中的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。
[0024] 所述接收模块由三个超声波接收探头阵列和步进电机(4)以及步进电机驱动电路(5)组成，步进电机(4)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(5)收到一个脉冲信号，能够驱动步进电机(4)按设定的方向转动固定的角度，称为步距角，从而通过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2所示，两个水平阵列之间的夹角是可变的并且夹角可以通过步进电机(4)进行调节，第三个阵列与另外两阵列
正交。水平阵列A1(1)和步进电机(4)固定在一起，水平阵列A2(2)安装到步进电机(4)上并且保证水平阵列A1(1)和水平阵列A2(2)在同一平面上，垂直阵列A3(3)与A1、A2垂直，A3分别与A1和A2组成L阵。水平阵列A2(2)可由步进电机(4)带动旋转，从而达到两线阵夹角调节的目的。图3和图4分别为装置连接俯视图和侧视图，从图中可以看出，水平阵列A1(1)和垂直阵列A3(3)连接在一起且它们垂直，在它们的末端有一个的固定支架(6)，因为接收模块会放置在水中，所以固定支架(6)采用塑料材质以增大
浮力。步进电机(4)定子(7)连接在此支架上，步进电机(4)转子(8)连接水平阵列A2(2)。三个阵列还能接收从目标声源发射回来的信号，然后将其进行A/D转换后传送至处理器。
[0025] 所述输出模块由一个USB接口和一个显示器组成，并与数据处理与控制模块和电源模块相连，所述输出模块能够提供人机交互，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。
[0026] 所述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来为这些模块供电。
[0027] 所述装置的主要工作流程如下：在实测过程中根据想要发射的信号参数，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，超声波发射探头产生我们需要的信号并进行发射。两水平线阵之间的夹角值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，然后驱动电路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施例的算法计算出结果。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。
[0028] 具体地，所述数据处理与控制模块可以用DSP芯片实现(如：ADI公司ADSP-BF532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，并能够实现三个均匀线阵的旋转算子和最终二维波达方向的计算；接收模块中的步进电机和驱动电路采用北京时代超群公司的86步进电机套装，包括一个型号为86HBP113AL4-TK0的步进电机和型号为ZD-2HA860的
驱动器，此步进电机的步距角为1.8度。此外接收模块还使用三个均匀直线阵列，其中每个阵列包括多个超声接收探头，并且数量相同，三个线阵按图2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。
[0029] 以上所述，仅为本实用新型
专利较佳的实施例，但本实用新型专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本实用新型专利所公开的范围内，根据本实用新型专利的技术方案及其
发明构思加以等同替换或改变，都属于本实用新型专利的保护范围。
