一種分級(jí)子陣聚焦mvdr波束形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于聲納數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，特別涉及一種分級(jí)子陣聚焦MVDR(MinimumV arianceDistortionlessResponse，最小方差無(wú)失真響應(yīng)算法）波束形成方法，可以應(yīng)用于 各種線列陣聲納系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速高精度的波束形成。
【背景技術(shù)】
[0002] 受瑞利限的限制，對(duì)于小孔徑基陣，采用傳統(tǒng)的波達(dá)估計(jì)算法難以分辨方位上接 近的 2 個(gè)或多個(gè)目標(biāo)。1969 年 Capon 在文獻(xiàn)"High-resolution frequency-wavenumbersp ectrumanalysis"中提出的MVDR算法是一種在理論上具有高分辨性能的波達(dá)估計(jì)算法，但 是運(yùn)算過(guò)程中會(huì)涉及到高維矩陣求逆，復(fù)雜度很高，而且算法對(duì)信噪比要求比較高，穩(wěn)定性 也較差。為 了解決這些問(wèn)題，Swingler. D. N 在文獻(xiàn)"Alow-complexityMVDRbeamformerforu sewithshortobservationtimes"中提出一種連續(xù)不重疊不等長(zhǎng)子陣波束形成方法，田彪等 在文獻(xiàn)"多子陣高分辨實(shí)時(shí)波達(dá)估計(jì)算法研究"中提出了一種類似的基于均勻鄰接子陣列 處理方法的MVDR算法，這些方法在降低計(jì)算量的同時(shí)還能保持MVDR算法的高分辨性能，實(shí) 時(shí)性較好。另外，通過(guò)子陣處理提高了單個(gè)陣元的信噪比，對(duì)信噪比的寬容性也更好。
[0003] 雖然子陣聚焦MVDR算法在一定程度上有效降低了運(yùn)算復(fù)雜度，但是，距離一般聲 納系統(tǒng)所要求的實(shí)時(shí)性還有一定差距。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于，克服常規(guī)波束形成面臨的分辨率有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高精 度測(cè)向，以及MVDR等自適應(yīng)高分辨波束形成方法面臨的運(yùn)算復(fù)雜度高、穩(wěn)定性差的問(wèn)題， 從而提出了一種分級(jí)子陣聚焦MVDR波束形成方法，以同時(shí)滿足聲納系統(tǒng)波束形成在實(shí)時(shí) 性、高分辨能力和寬容性方面的需求。
[0005] 本發(fā)明考慮普通波束頻域?qū)拵Рㄊ纬煞椒ㄔ趯?shí)時(shí)性和寬容性方面的巨大優(yōu)勢(shì)， 為了解決小孔徑水平基陣高精度被動(dòng)測(cè)向的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種分級(jí)波束形成的思路 是：將普通快速頻域?qū)拵Рㄊ纬膳c子陣聚焦MVDR算法結(jié)合起來(lái)，由快速頻域?qū)拵Рㄊ?成算法完成對(duì)目標(biāo)方位粗測(cè)，再由子陣聚焦MVDR算法完成對(duì)目標(biāo)方位的精測(cè)，從而提高整 個(gè)聲納定向系統(tǒng)的性能，同時(shí)滿足實(shí)時(shí)性、高分辨和寬容性的需要。一種線列陣聲納裝置， 可以是一條拖曳陣，也可以是舷側(cè)陣，所述線列陣由多個(gè)水聽器組成。這里設(shè)陣元數(shù)目N，陣 元間距d，目標(biāo)入射方向Θ，陣元接收信號(hào)表示為 x(t)，信號(hào)頻帶范圍為fmin~fmax;聲速為 c，數(shù)據(jù)快拍長(zhǎng)度為L(zhǎng)。
[0006] 本發(fā)明的方法詳細(xì)流程如附圖1所示，首先對(duì)線列陣接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)一次時(shí)域 FFT變換和空域相位補(bǔ)償，完成快速寬帶頻域波束形成，由于普通波束形成分辨力有限，這 一步只是完成對(duì)目標(biāo)方位的初步估計(jì)，可以將波束間隔設(shè)置的比較寬。然后，對(duì)普通波束形 成曲線進(jìn)行峰值檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，對(duì)頻域陣列信號(hào)進(jìn)行子陣劃分，只對(duì)目標(biāo)附近的方位做 子陣聚焦MVDR波束形成，然后進(jìn)行二次方位檢測(cè)，得到更精確的目標(biāo)方位。
[0007] 具體步驟描述如下：
[0008] 11)線列陣數(shù)據(jù)輸入
[0009] 用線陣接收空間信號(hào)，得到M個(gè)陣元的時(shí)域信號(hào)，取L采樣點(diǎn)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)形成一個(gè) 數(shù)據(jù)快拍，作為數(shù)據(jù)輸入。
[0010] X (t) = Lx^k) X2 (k) ··· xM(k)]T
[0011] 其中，xm(k) = [xm(l) xm(2)…Xm(L)]
[0012] 12)快速寬帶頻域波束形成
[0013] 對(duì)數(shù)據(jù)快拍X(t)在頻帶范圍fmin~fmax內(nèi)做快速頻域?qū)拵Рㄊ纬?，具體過(guò)程如 下。
[0014] 首先對(duì)陣列信號(hào)x(t)的每一個(gè)陣元信號(hào)做時(shí)域FFT，截取fmin~f max范圍的頻域 信號(hào)表不如下：
[0015] X(D = Lx^f) x2(f) ··· xM(f)]T [0016]其中，Xni (f) = [Xni U …Xni (f；J ]
[0017] 對(duì)不同頻率分量&構(gòu)造導(dǎo)引矢量：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種分級(jí)子陣聚焦MVDR波束形成方法，該方法將普通快速頻域?qū)拵Рㄊ纬伤惴?與子陣聚焦MVDR算法結(jié)合起來(lái)，首先由快速頻域?qū)拵Рㄊ纬赏瓿蓪?duì)目標(biāo)方位粗測(cè)，再劃 分子陣，最終由子陣聚焦MVDR算法完成對(duì)目標(biāo)方位的精測(cè)，實(shí)現(xiàn)快速高精度的波束形成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分級(jí)子陣聚焦MVDR波束形成方法，其特征在于，所述方法包 括以下步驟： 1) 首先，對(duì)線列陣聲納裝置接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)一次時(shí)域FFT變換和空域相位補(bǔ)償，完 成快速寬帶頻域波束形成，完成對(duì)目標(biāo)方位的初步估計(jì)； 2) 然后，對(duì)普通波束形成曲線進(jìn)行峰值檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，對(duì)頻域陣列信號(hào)進(jìn)行子陣劃 分，并且只對(duì)目標(biāo)附近的方位做子陣聚焦MVDR波束形成，進(jìn)行二次方位檢測(cè)，得到更精確 的目標(biāo)方位。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的分級(jí)子陣聚焦MVDR波束形成方法，其特征在于，所述線列陣 聲納裝置由多個(gè)水聽器陣元組成，是一條拖曳陣或是舷側(cè)陣；設(shè)水聽器陣元數(shù)目N，陣元間 距d，目標(biāo)入射方向Θ，陣元接收信號(hào)表示為X (t)，信號(hào)頻帶范圍為fmin~fmax ;聲速為c，數(shù) 據(jù)快拍長(zhǎng)度為L(zhǎng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的分級(jí)子陣聚焦MVDR波束形成方法，其特征在于，所述方法的 具體步驟如下： 11) 線列陣數(shù)據(jù)輸入； 線列陣聲納裝置接收空間信號(hào)，得到M個(gè)陣元的時(shí)域信號(hào)，取L采樣點(diǎn)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)形成 一個(gè)數(shù)據(jù)快拍，作為數(shù)據(jù)輸入： X(t) = [X1 (k) x2(k) ··· xM(k)]T； 其中，xm(k) = [xm(l) xm(2)…xm(L)]; 12) 快速寬帶頻域波束形成； 對(duì)數(shù)據(jù)快拍X(t)在頻帶范圍fmin~fmax內(nèi)做快速頻域?qū)拵Рㄊ纬桑? 首先，對(duì)陣列信號(hào)X (t)的每一個(gè)陣元信號(hào)做時(shí)域FFT，截取fmin~fmax范圍的頻域信號(hào) 表示如下： X(f) = [xi(f) x2(f) *·· xM(f)]T； 其中，Xm(f) - [Xm (fmin)…Xm (fmax)]; 對(duì)不同頻率分量fi構(gòu)造導(dǎo)引矢量： 然后，進(jìn)行相位補(bǔ)償，得到各個(gè)頻率分量的波束輸出： y (f, Q1)= w(fi，Θ x)X(f)； 最后，將不同頻率分量的各個(gè)波束輸出進(jìn)行平方相加得到波束圖： PaA^) = y(fA)-ynf：A)
21) -次方位檢測(cè)； 對(duì)于波束曲線Pcbf(Q1) (1 = 1，2，···，180° )進(jìn)行方位檢測(cè)，首先，對(duì)波束曲線進(jìn)行峰 值檢測(cè)，對(duì)每一個(gè)峰值計(jì)算檢測(cè)系數(shù)DT :
其中，PraF(U表示目標(biāo)峰值，EtPc^ed]表示波束曲線的均值，δ [Pcbf(Q1)]表示 波束曲線的起伏值； 假設(shè)檢測(cè)到了 Q個(gè)目標(biāo)，方位分別表示為eq(k= 1，2, ···，〇); 22)子陣聚焦MVDR波束形成； 對(duì)檢測(cè)到的每個(gè)目標(biāo)Θ q(k = 1，2,…，Q)，對(duì)其附近的方位做子陣聚焦MVDR波束形成： 將線列陣劃分為N個(gè)子陣，每個(gè)子陣含有Ms個(gè)陣元，則有 ? 最后，一個(gè)子陣長(zhǎng)度為 定義X' n(t)表示第η個(gè)子陣的時(shí)域陣列信號(hào)，則第η個(gè)子陣接收信號(hào)的頻域矢量X' η 表示為： X " = +1(,) ; X 2(/);…；Χ?η_ηΜ，Μ;(/)]. 其中，Xm(f) = [XJf1) Xm(f2)…Xm(fK)]，K表示頻率分量的數(shù)目； 對(duì)觀測(cè)方向Θ，構(gòu)造頻點(diǎn)fk對(duì)應(yīng)的子陣方向矢量為： ?(θ f) - [l e-J^fkd^ieVce-J27rJk (A/a-I}·^Cos(^)Zc jT 對(duì)各子陣頻域陣列信號(hào)作波束方向相位補(bǔ)償，得到子陣輸出波束為： Υη(θ) = [YnAf1) Yn(0，f2)…Yn(0，fK)]; 其中，Yn(9，fk) =aH(0，fk)X'n(fk); 將Υη( θ )視為第η個(gè)虛擬陣元的陣元信號(hào)，則虛擬陣的陣列信號(hào)表示為： Υ(Θ) = [Υ"Θ) ; Υ2(θ);…；γΝ(θ)]; 按照平面波假設(shè)，以第一個(gè)子陣為基準(zhǔn)，對(duì)每一個(gè)子陣進(jìn)行延時(shí)聚焦： > | I | 備 _ c }2π I1(U-I)M Jcos(O) c "· (2π fk(n-\)M J ζο&(θ) cj ^ 這樣，得到子陣聚焦對(duì)齊后虛擬陣的協(xié)方差矩陣估計(jì)為： R(的=士細(xì))_々〃(的； M 其中，9(0=[夂(的；十2(0;…；Vw(0二 * 則Θ方向的輸出功率譜估計(jì)為：
23)對(duì)子陣聚焦MVDR得到的波束曲線θ )進(jìn)行二次方位檢測(cè)，得到更精確的目 標(biāo)方位Θ,'（k= 1，2, ···，〇)并輸出。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的分級(jí)子陣聚焦MVDR波束形成方法，其特征在于，所述步驟 22)中，一般將線列陣劃分成3~5個(gè)子陣。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的分級(jí)子陣聚焦MVDR波束形成方法，其特征在于，所述步驟 21) 中，一般取檢測(cè)系數(shù)DT=6dB，這時(shí)檢測(cè)概率為95. 4%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的分級(jí)子陣聚焦MVDR波束形成方法，其特征在于，所述步驟 22) 中，對(duì)檢測(cè)到的每個(gè)目標(biāo)0q(k=l，2，~，Q)附近的方位做子陣聚焦MVDR波束形成，所 述的附近的方位取值為Θ Θ~Θ q+A Θ，Λ Θ取值范圍為5~10。。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的分級(jí)子陣聚焦MVDR波束形成方法，其特征在于，所述步驟 23) 中的二次方位檢測(cè)同一次方位檢測(cè)的方法完全一致。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種分級(jí)子陣聚焦MVDR波束形成方法，該方法將普通快速頻域?qū)拵Рㄊ纬伤惴ㄅc子陣聚焦MVDR算法結(jié)合起來(lái)，首先由快速頻域?qū)拵Рㄊ纬赏瓿蓪?duì)目標(biāo)方位粗測(cè)，再劃分子陣，最終由子陣聚焦MVDR算法完成對(duì)目標(biāo)方位的精測(cè)，實(shí)現(xiàn)快速高精度的波束形成；包括：1）首先，對(duì)線列陣聲納裝置接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)一次時(shí)域FFT變換和空域相位補(bǔ)償，完成快速寬帶頻域波束形成，完成對(duì)目標(biāo)方位的初步估計(jì)；2）然后，對(duì)普通波束形成曲線進(jìn)行峰值檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，對(duì)頻域陣列信號(hào)進(jìn)行子陣劃分，并且只對(duì)目標(biāo)附近的方位做子陣聚焦MVDR波束形成，進(jìn)行二次方位檢測(cè)，得到更精確的目標(biāo)方位。本發(fā)明提高了整個(gè)聲納定向系統(tǒng)的性能，同時(shí)滿足實(shí)時(shí)性、高分辨和寬容性的需要。
【IPC分類】G01S7-539
【公開號(hào)】CN104730513
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310706004
【發(fā)明人】李崢, 黃海寧
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所
【公開日】2015年6月24日
【申請(qǐng)日】2013年12月19日