本發(fā)明屬于聲納信號處理領(lǐng)域，具體涉及一種基于畸變拖曳陣的保真增強波束形成的方法。

背景技術(shù)：

當前的聲納系統(tǒng)主要分為水聽器岸基陣聲納和水聽器拖曳線列陣聲納。水聽器拖曳線列陣聲納簡稱拖曳陣，是拖曳在艦船尾部一定距離的聲探測系統(tǒng)，通過接收航行目標自身的輻射噪聲或反射的主動信號，來檢測目標的有無并估計目標的有關(guān)參數(shù)。它具有探測能力強，探測頻率低，水文適應(yīng)能力強和無盲區(qū)的特點。水聽器陣列流形是水聽器陣列的一個重要參數(shù)，利用水聽器陣列接收信號作波束形成等聲納信號處理時，一般都要求陣形己知。然而水聽器陣列布放到水中之后，其陣形不好控制，一般認為當陣形畸變超過λ/10(λ為接收信號波長)時，就應(yīng)在波束形成時對陣形畸變進行補償，否則會對拖曳線列陣聲吶性能產(chǎn)生重大影響，從而影響方位估計性能。

現(xiàn)有的拖曳陣陣形估計方法主要可以分為兩類：一類是聲學計算的方法，它是利用水聽器陣列的接收信號來反推出陣列流形；另一類是非聲輔助測量的方法，主要是在水聽器拖曳陣上安裝若干個深度或航向傳感器，利用這些傳感器的測量值來估計出陣形，實現(xiàn)畸變線列陣的保真波束形成。

聲學計算的方法主要有銳度提取法和特征矢量法。銳度提取法在陣元較多的情況下搜索算法過于復雜，隨后很少有人研究，之后該方法被應(yīng)用于陣形未知的自適應(yīng)波束形成，但是相比于該方法，特征矢量法性能較好。該方法只需要一個聲源就可以估計出陣形。但一般要求聲源方位精確已知，此外，它還要求首陣元的坐標已知，陣列形變不是很大，相鄰陣元間距己知且固定。除了這兩種方法外，還可以用最大似然估計方法和隱藏馬爾科夫模型的方法估計畸變，實現(xiàn)畸變線列陣的較精確的波束形成。

非聲輔助測量方法也主要有兩種，流體力學法和插值擬合法。流體力學法將輔助傳感器的測量值作為邊界條件，通過求解拖纜的流體力學方程來估計畸變。這種方法為了得到更加精確的估計結(jié)果，往往在陣列尾部安裝另一個航向傳感器以做修正。另外，在方程中，陣列所受到的牽引力只來自陣列前端的拖點處。然而在實際情況中，當海況不好時，陣列會受到海浪涌流等因素的影響，這種方法估計出來的波束形成結(jié)果不太可信。插值擬合法是用輔助傳感器測量陣列上的多點狀態(tài)，然后用樣條插值擬合出畸變的陣形實現(xiàn)精確的波束形成。這種方法假設(shè)各航向傳感器的橫坐標一直保持不變，即仍然等于陣列沒有形變時的橫坐標，因此估計出來的陣形與實際的陣形會有差別，陣列的總長度會拉長。當陣形變化較小時，這種差別影響不大，但當陣形變化較大時就需要對估計出的陣形做修正，從而使波束形成的結(jié)果更接近于真實值，提高陣列的方位估計性能。

自從1917年第一套拖曳陣聲納系統(tǒng)被發(fā)明以來，拖曳陣的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了100年的時間。如今，拖曳陣在軍事目標定向及海洋地層、石油勘探等商業(yè)領(lǐng)域都得到廣泛地應(yīng)用。其中，大多數(shù)應(yīng)用都是基于陣列流形己知的前提，然而，由于海洋環(huán)境的復雜多變，水聽器陣列在拖曳過程中，海浪、涌流、拖船機動都會改變陣列的形狀，即陣列流形在拖曳過程中是不斷變化的。常用的解決辦法是假設(shè)拖曳陣始終保持為一條直線陣，但是在軍事安全和商業(yè)利益的雙重推動下，拖曳陣不斷地向多基元、長距離、多維化的大規(guī)模方向發(fā)展，導致陣列在拖曳過程中陣形越來越難控制，這種假設(shè)陣形不變的做法不能滿足實際應(yīng)用需求。關(guān)于畸變的拖曳線列陣的目標方位估計準確度問題日顯突出。如何在拖曳線列陣發(fā)生畸變的情況下，更為準確的進行目標信號的方位估計將成為提高陣列探測性能、促使拖曳陣走向高精度、高分辨率應(yīng)用方向的關(guān)鍵。

目前已有多種針對畸變的拖曳線列陣進行估計的方法，一種最常用的途徑是在拖線陣上放置多個水平深度測量儀，以獲得陣元的位置信息，進而估計陣形，實現(xiàn)較精確的波束形成和目標信號方位估計。這種方法應(yīng)用起來比較直接，但是經(jīng)濟代價太高。另外一種方法是通過估計誤差參數(shù)來實現(xiàn)對陣形的校正，該類方法首先對陣列誤差進行建模，將陣列誤差校正轉(zhuǎn)化為參數(shù)估計的問題。該類陣形校正方法通?？梢苑譃橛性葱Ｕ惡妥孕Ｕ?。對于有源校正方法，該方法對輔助信號源有著較高的精確方位信息的要求，所以當輔助信號源的方位信息有偏差時，這類校正算法會帶來較大的偏差。自校正算法由于陣元位置誤差與方位參數(shù)之間的耦合和某些病態(tài)的陣列結(jié)構(gòu)，參數(shù)估計的唯一辨識往往無法保證，更為重要的是參數(shù)聯(lián)合估計對應(yīng)的高維、多模非線性優(yōu)化問題帶來了龐大的運算量，估計的全局收斂性往往無法保證。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明公開了一種基于畸變拖曳陣的保真增強波束形成的方法，該方法通過時延估計來校正拖曳線列陣的畸變對波束形成影響，獲得保真增強的目標輻射噪聲跟蹤波束。

技術(shù)方案：本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于畸變拖曳陣的保真增強波束形成的方法，包括如下步驟：

(1)模擬水聲目標輻射噪聲s(t)；

(2)模擬觀測陣列信號xi(t)，i＝1,2,...,m，m為拖曳陣中陣元數(shù)目；

(3)基于理想波束形成粗略估計目標方位為目標信號波束能量最大時的引導角；

(4)檢測目標信號的l個功率最大的線譜位置l＝1,2,...,l；

(5)由強線譜位置處的相位差估計拖曳陣中每個陣元的平均時延差δτi，i＝1,2,...,m；

(6)基于估計時延獲取保真增強的目標跟蹤波束

具體地，水聲目標輻射噪聲s(t)包括平穩(wěn)連續(xù)譜分量sc(t)和線譜分量sl(t)；

所述平穩(wěn)連續(xù)譜分量sc(t)的獲取步驟如下：

(a.1)采用三參數(shù)模型法模擬平穩(wěn)連續(xù)譜的功率譜gxf(ωt)：

其中ωm，ωc和λ為三參數(shù)模型的三個參數(shù)，決定了該連續(xù)譜的形狀；ωt為頻率，ωm為尖銳度因子，決定譜鋒的尖銳程度和高度，ωc決定譜鋒的位置，λ決定功率譜高、低頻端幅度的相對比例，σ表示平穩(wěn)連續(xù)譜信號的能量；

(a.2)建立p階ar濾波器，其yule-walker方程為：

其中a[l]，l∈{1,2,…,p}和b0為p階ar濾波器系數(shù)，δ[k]為沖擊函數(shù)；rx[k]為gxf(ωt)的自相關(guān)函數(shù)rc(τ)的采樣值；

(a.3)采用levison-durbin算法求解式(2)方程，得到p階ar濾波器系數(shù)；高斯白噪聲通過該ar濾波器后得到的信號，即為水聲目標輻射噪聲中的平穩(wěn)連續(xù)譜分量sc(t)；

所述線譜分量sl(t)的獲取步驟如下：

(b.1)采用k個正弦信號來模擬目標信號的線譜分量，其中ak為正弦信號幅度，fk為正弦信號的頻率，t∈[0,t]為觀測時間；

(b.2)在線譜位置fk處計算平穩(wěn)連續(xù)譜分量sc(t)的能量pik，k＝1,2,...,k；

(b.3)根據(jù)已知的信號干擾比計算出各個正弦信號幅度ak，即得到水聲目標輻射噪聲中的線譜分量sl(t)。

具體地，步驟(2)包括如下步驟：

(2.1)將拖曳陣中第一個陣元設(shè)置為參考陣元，其陣元數(shù)據(jù)為：

s1(t)＝s(t)；

(2.2)拖曳陣中其余m-1個陣元的陣元數(shù)據(jù)為：

si(t)＝s[t-timedelay(i)]，i＝2,…,m；

其中timedelay(i)為第i個陣元相對于參考陣元的時延：

tardis(i)為聲源與第i個陣元之間的距離，v是聲音在水中的傳播速度。

(2.3)根據(jù)已知的信噪比計算能量pn，并生成能量為pn的m路高斯白噪聲ni(t)，其中i＝1,…,m，sl(t)為水聲目標輻射噪聲線譜分量；

(2.4)觀測陣列信號xi(t)為：xi(t)＝si(t)+ni(t)。

具體地，步驟(3)包括如下步驟：

(3.1)計算理想均勻線陣在引導角θm下相鄰陣元時延τm：

其中m＝1,…,m+1，m+1為總引導角個數(shù)，d為相鄰陣元間的距離；

(3.2)對各陣元數(shù)據(jù)進行延時相加，得到目標信號波束能量圖：

(3.3)通過能量檢測找到波束能量最大值位置時的引導角為目標方位的粗估計

具體地，步驟(4)包括如下步驟：

(4.1)根據(jù)粗估計的目標方位計算各陣元的時延估計

(4.2)將各陣元數(shù)據(jù)按時延估計與參考陣元對齊，對對齊后的陣元數(shù)據(jù)相干相加獲得目標跟蹤波束g(t)：

(4.3)對g(t)進行傅里葉變換獲得目標信號頻譜g(ω)，同時利用滑動窗平滑技術(shù)估計目標信號連續(xù)譜gc(ω)，在目標信號頻譜g(ω)中刪除連續(xù)譜gc(ω)的影響，獲得目標信號的線譜gl(ω)，利用能量檢測估計出l個功率最大的線譜l＝1,…,l，其中l(wèi)為估計線譜的數(shù)目；

(4.4)計算拖曳陣中每個陣元的頻點其中i＝1,…,m，l＝1,…,l；則第i個陣元、第l個線譜的相位為其中phase[·]為計算信號相位運算。

具體地，步驟(5)包括如下步驟：

對于l個強線譜獲得第i個陣元平均時延差為其中δτil為第l個線譜位置處第i個和第i-1個陣元相位差，和分別為第l個線譜位置處第i個和第i-1個陣元的相位。

具體地，步驟(6)包括如下步驟：

(6.1)計算第i個陣元與參考陣元的時延差ζi：其中δτ0為第j個陣元平均時延差；

(6.2)獲得保真增強的目標跟蹤波束

有益效果：本發(fā)明公開的基于畸變拖曳陣的保真增強波束形成的方法，首先使用基于理想陣形的波束形成方法對目標信號的來波方向進行粗估計；然后利用來波方向獲得目標信號的跟蹤波束，其次對跟蹤波束進行傅里葉變換獲得目標頻譜特性，同時在頻率域進行目標強線譜檢測；基于檢測的線譜信息，對各陣元數(shù)據(jù)利用傅里葉變換計算對應(yīng)線譜；最后，提取各個陣元的線譜相位，通過計算相鄰陣元相位差估計出相鄰陣元的時延，同時利用估計的時延對各陣元信號進行延時對齊，從而實現(xiàn)在畸變陣形環(huán)境下的保真增強的波束形成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開的方法具有以下優(yōu)點：本發(fā)明公開的波束形成方法直接從接收到的陣元數(shù)據(jù)估計線譜，基于估計線譜相位估計相鄰陣元間的時延，實現(xiàn)了自適應(yīng)的基于畸變拖曳陣的保真增強波束形成技術(shù)，應(yīng)用簡單直接，經(jīng)濟代價低且效果明顯，運算量較小，校正精度較高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法的流程圖；

圖2為實施例1中目標輻射噪聲信號的頻譜；

圖3為實施例1中畸變拖曳陣的陣元位置圖；

圖4為實施例1中基于理想陣形的波束能量圖；

圖5為實施例1中真實時延、基于理想陣的估計時延與校正后時延的對比圖；

圖6為實施例1中原始數(shù)據(jù)頻譜、基于理想位置的跟蹤波束頻譜以及校正后的跟蹤波束頻譜的對比圖；

圖7為實施例2中跟蹤波束線譜幅度誤差隨信噪比變化示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式，進一步闡明本發(fā)明。

一種基于畸變拖曳陣的保真增強波束形成的方法，如圖1所示，包括如下步驟：

步驟1、模擬水聲目標輻射噪聲s(t)；

水聲目標輻射噪聲s(t)包括平穩(wěn)連續(xù)譜分量sc(t)和線譜分量sl(t)，即：

s(t)＝sc(t)+sl(t)

所述平穩(wěn)連續(xù)譜分量sc(t)的獲取步驟如下：

(a.1)采用經(jīng)典的三參數(shù)模型法模擬平穩(wěn)連續(xù)譜的功率譜gxf(ωt)：

其中ωm，ωc和λ為三參數(shù)模型的三個參數(shù)，決定了該連續(xù)譜的形狀；ωt為頻率，ωm為尖銳度因子，決定譜鋒的尖銳程度和高度，ωc決定譜鋒的位置，λ決定功率譜高、低頻端幅度的相對比例，σ表示平穩(wěn)連續(xù)譜信號的能量；

(a.2)根據(jù)wiener-khinchin定理，式(1)的逆傅里葉變換即為平穩(wěn)連續(xù)譜信號的自相關(guān)函數(shù)rc(τ)，可寫成：

rc(τ)＝σexp(-ωm|τ|)[cosωcτ+λsin(ωc|τ|)]

假設(shè)以fs為采樣率對時域信號進行等間隔采樣，則上述自相關(guān)函數(shù)可以寫成離散形式為，

rc(kts)＝σexp(-ωm|kts|)[cosωckts+λsin(ωc|kts|)]

其中ts＝1/fs；根據(jù)式(1)建立p階ar濾波器，其yule-walker方程為：

其中a[l]，l∈{1,2,…,p}和b0為p階ar濾波器系數(shù)，δ[k]為沖擊函數(shù)；rx[k]為gxf(ωt)的自相關(guān)函數(shù)rc(τ)的采樣值；

(a.3)采用levison-durbin算法求解式(2)方程，得到p階ar濾波器系數(shù)；高斯白噪聲通過該ar濾波器后得到的信號，即為水聲目標輻射噪聲中的平穩(wěn)連續(xù)譜分量sc(t)；

所述線譜分量sl(t)的獲取步驟如下：

(b.1)采用k個正弦信號來模擬目標信號的線譜分量，其中ak為正弦信號幅度，fk為正弦信號的頻率，t∈[0,t]為觀測時間；

(b.2)在線譜位置fk處計算平穩(wěn)連續(xù)譜分量sc(t)的能量pik，k＝1,2,...,k；

(b.3)根據(jù)已知的信號干擾比計算出各個正弦信號幅度ak，即得到水聲目標輻射噪聲中的線譜分量sl(t)。

步驟2、模擬觀測陣列信號xi(t)；假設(shè)拖曳陣為有m個陣元的畸變陣形，即i＝1,2,...,m；通過步驟(2.1)至(2.4)得到觀測陣列信號：

(2.1)將拖曳陣中第一個陣元設(shè)置為參考陣元，其陣元數(shù)據(jù)為：

s1(t)＝s(t)；

(2.2)拖曳陣中其余m-1個陣元的陣元數(shù)據(jù)為：

si(t)＝s[t-timedelay(i)]，i＝2,…,m；

其中timedelay(i)為第i個陣元相對于參考陣元的時延：

tardis(i)為聲源即目標與第i個陣元之間的距離，v是聲音在水中的傳播速度；

(2.3)根據(jù)已知的信噪比計算能量pn，并生成能量為pn的m路高斯白噪聲ni(t)，其中i＝1,…,m，sl(t)為水聲目標輻射噪聲線譜分量；

(2.4)觀測陣列信號xi(t)為：xi(t)＝si(t)+ni(t)；

步驟3、基于理想波束形成粗略估計目標方位為目標信號波束能量最大時的引導角；具體包括如下步驟：

(3.1)由于無法事先獲知陣形的畸變狀況，首先進行基于理想陣形，即均勻線陣的波束形成；第i個陣元到參考陣元之間的時間差為τi＝(i-1)τ，其中τ為相鄰陣元時延差?？紤]到拖曳水聽器的柔性結(jié)構(gòu)，假設(shè)相鄰陣元間距d保持不變；在引導角θm下相鄰陣元時延τm：

其中m＝1,…,m+1，m+1為總引導角個數(shù)，d為相鄰陣元間的距離；

(3.2)對各陣元數(shù)據(jù)進行延時相加，得到目標信號波束能量圖：

(3.3)通過能量檢測找到波束能量最大值位置時的引導角為目標方位的粗估計

步驟4、檢測目標信號的l個功率最大的線譜位置l＝1,2,...,l；具體包括如下步驟：

(4.1)根據(jù)粗估計的目標方位計算各陣元的時延估計

(4.2)將各陣元數(shù)據(jù)按時延估計與參考陣元對齊，對對齊后的陣元數(shù)據(jù)相干相加獲得目標跟蹤波束g(t)：

(4.3)對g(t)進行傅里葉變換獲得目標信號頻譜g(ω)，同時利用滑動窗平滑技術(shù)估計目標信號連續(xù)譜gc(ω)，在目標信號頻譜g(ω)中刪除連續(xù)譜gc(ω)的影響，獲得目標信號的線譜gl(ω)，利用能量檢測估計出l個功率最大的線譜l＝1,…,l，其中l(wèi)為估計線譜的數(shù)目；

(4.4)計算拖曳陣中每個陣元的頻點其中i＝1,…,m，l＝1,…,l；則第i個陣元、第l個線譜的相位為其中phase[·]為計算信號相位運算。

步驟5、由強線譜位置處的相位差估計拖曳陣中每個陣元的平均時延差δτi，i＝1,2,...,m；具體步驟為：

對于l個強線譜獲得第i個陣元平均時延差為其中δτil為第l個線譜位置處第i個和第i-1個陣元相位差，和分別為第l個線譜位置處第i個和第i-1個陣元的相位。

步驟6、基于估計時延獲取保真增強的目標跟蹤波束具體包括：

(6.1)計算第i個陣元與參考陣元的時延差ζi：其中δτj為第j個陣元平均時延差；

(6.2)獲得保真增強的目標跟蹤波束

實施例1：

本實施例中，采樣頻率fs＝32khz，聲音在水中的傳播速度v取為1500m/s。利用三參數(shù)模型法模擬水聲目標輻射噪聲的平穩(wěn)連續(xù)譜的功率譜gxf，仿真過程中三參數(shù)設(shè)置如下：ωm＝2π×500rad/s，ωc＝2π×1000rad/s，λ＝0，平穩(wěn)連續(xù)譜信號能量σ＝1。

模擬目標輻射噪聲的6個線譜分量：通過線譜位置處平穩(wěn)連續(xù)譜的能量pi和已知的信號干擾比sir＝10，由獲得各個正弦信號的幅度ai。正弦信號的頻率fi分別為20hz，45hz，60hz，100hz，200hz，500hz。觀測時間為t＝20s。將平穩(wěn)連續(xù)譜分量以及線譜分量加起來，獲得目標輻射噪聲信號s(t)。目標輻射噪聲信號的頻譜如圖2所示。

本實施例中，拖曳陣數(shù)目m＝100，陣元間距d＝0.8，畸變陣列的各陣元具體位置如圖3所示。假設(shè)目標與陣元法線方向的夾角為30°，與參考陣元的距離為1000m。設(shè)聲源與第i個陣元之間的距離差為tardis(i)，則第i個陣元相對于參考陣元的時延timedelay(i)可以寫成：

將圖2所示的信號作為參考陣元的陣元數(shù)據(jù)，對于第i個陣元，依照時延公式對參考陣元信號進行時延，由此獲得100個陣元的陣列數(shù)據(jù)。對各陣元數(shù)據(jù)si(t)添加高斯白噪聲，信噪比為-15db，獲得觀測數(shù)據(jù)xi(t)。

在此實施例中，基于理想陣形的波束形成如圖4所示。通過能量檢測找到波束能量最大值位置得到目標方位的粗估計

圖5給出了畸變拖曳陣相鄰陣元間的真實時延、基于理想線陣估計出的相鄰陣元時延以及根據(jù)強線譜得到的相位差估計出的相鄰陣元時延。其中曲線1為基于理想陣形的估計時延，曲線2為理論時延，曲線3為根據(jù)強線譜得到的相位差估計出的相鄰陣元時延。從圖中可以看出，本發(fā)明公開的方法能夠有效地估計出畸變拖曳線列陣陣元間的時延。

圖6給出了原始數(shù)據(jù)頻譜，基于理想位置的跟蹤波束頻譜以及校正后的跟蹤目標頻譜的對比圖。從圖中可以看出，與傳統(tǒng)的波束形成方法相比，本發(fā)明公開的保真增強波束形成方法形成的波束頻譜更加接近于原始數(shù)據(jù)真實值，波束形成的效果得到了保真增強。

實施例2：

本實施例主要分析和驗證信噪比對本發(fā)明公開的保真增強波束形成的影響。觀測時間為t＝20s。數(shù)據(jù)信噪比從-45db到-10db，對于每個信噪比，設(shè)估計波束形成的幅度相對誤差為e，ai表示原始數(shù)據(jù)頻譜在第i個線譜位置處的幅度，pai表示估計波束形成頻譜在第i個線譜位置處的幅度。以跟蹤波束線譜幅度相對誤差作為性能評價指標。如圖7給出了線譜重建誤差隨信噪比變化示意圖。從圖中可以看出，隨著信噪比提高，基于保真增強波束形成的重建誤差逐漸較??；而基于理想陣形的波束形成方法由于其沒有有效的陣形校正能力，隨著信噪比的提高，其重建誤差隨信噪比變化很小。