專利名稱：一種提高基陣分辨力和增益的快速波束形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基陣信號處理方法。具體地說是一種可以使接收基陣的空間分辨力和陣增益均得到提高的信號處理方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的主動聲納，如前視聲納、側(cè)掃聲納、淺剖聲納、獵雷聲納等，混響和環(huán)境噪聲是主要干擾源。為了使回波數(shù)據(jù)具有較高的信混比，通常采用短脈沖發(fā)射、窄波束接收的方法。基陣的設(shè)計大多采用基于FFT(Fast Fourier Transform)的波束形成方法進(jìn)行目標(biāo)回波的方位估計。采用基于FFT多波束形成方法的計算量小，但是它的空間分辨力受到陣列物理孔徑的限制，對于一個波束寬度內(nèi)的目標(biāo)不可分辨。若要提高分辨力則需要增大陣列的孔徑，這將增加工程應(yīng)用中的成本和難度。并且波束之間受旁瓣的影響很大，已經(jīng)很難滿足工程上對于高精度的障礙物檢測以及海底地形地貌探測的需求。前視聲納、側(cè)掃聲納等主動聲納的工作特點決定了在實際應(yīng)用中很難有較多的快拍數(shù)，并且對于實時性的要求高。因而急需一種同時兼?zhèn)溆嬎懔啃?，分辨力高、不受快拍?shù)要求的方位估計方法來有效地提高陣列的分辨力，又不會影響聲納系統(tǒng)對于實時性的要求。
為了在不增加陣列物理尺寸的前提下，使陣列的分辨力有所提高，可以在虛擬陣列的意義上將陣列的孔徑擴(kuò)展。采用四階累積量的方法可以有效的擴(kuò)展陣列孔徑，從而提高陣列的空間分辨力。同時，也可以進(jìn)行多于真實陣元數(shù)目的目標(biāo)個數(shù)估計?；谒碾A累積量的波束形成方法雖然具有以上的優(yōu)勢，但是矩陣構(gòu)造的計算量很大，對于一個陣元數(shù)為M的線陣而言，采用四階累積量的方法可以將陣列的孔徑擴(kuò)展為原來的二倍，所構(gòu)造的四階累積量矩陣為M2×M2維的。劉學(xué)斌、韋崗、季飛等在借鑒傳統(tǒng)的約束最小冗余線陣概念的基礎(chǔ)上，從陣列輸出的四階累積量定義出發(fā)，利用四階累積量擴(kuò)展陣列孔徑的功能，設(shè)計出基于四階累積量的約束最小冗余線陣。[基于四階累積量擴(kuò)展孔徑的線陣設(shè)計，電波科學(xué)學(xué)報，2006(02)P126-130]。常規(guī)四階累積量的方法需要比二階統(tǒng)計方法更多的快拍數(shù)，并且基于四階累積量的高分辨算法具有對信噪比、信源間的獨立性、基元的一致性要求高、穩(wěn)定性差等特點，這些特點使得這種信號處理方法在實際工程應(yīng)用中性能受限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基元數(shù)少、分辨力高、旁瓣級低、計算復(fù)雜度小的一種提高基陣分辨力和增益的快速波束形成方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的 (1)采用最小冗余陣列的構(gòu)造，將M元均勻線陣優(yōu)化成P元非均勻線陣的形式； (2)對P元基陣的基元數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理； (3)在頻率域上，根據(jù)基于四階累積量的陣列孔徑擴(kuò)展特性構(gòu)造基于均勻線陣的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣； (4)波束空間歸一化處理； (5)進(jìn)行Bartlett空間譜估計。
本發(fā)明利用四階累積量的陣列孔徑擴(kuò)展特性實現(xiàn)了使用優(yōu)化的基元布放形式來獲得高的分辨力，克服了原有基于四階累積量方法對快拍數(shù)要求高、計算復(fù)雜度大的缺點，使得計算過程簡單易行。在信噪比高于臨界信噪比時，本發(fā)明方法具有比常規(guī)波束形成更高的陣增益。波束空間的歸一化處理，實現(xiàn)了對背景干擾的有效抑制。本發(fā)明的波束形成方法簡單易行，非常適用于工程應(yīng)用。
本發(fā)明在基陣數(shù)目降低的同時，有效的提高陣列的空間分辨力和陣列的增益并且使計算復(fù)雜度得到降低。數(shù)據(jù)的計算復(fù)雜度由M2×M2降為M×(2M-1)。理論推導(dǎo)與仿真證實在信噪大于臨界信噪比時，本發(fā)明方法具有比常規(guī)波束形成方法更高的陣增益。


圖1a-圖1b為主動聲納工作流程圖，其中圖a為聲納發(fā)射機(jī)基本組成、圖b為聲納接收機(jī)基本組成。
圖2為信號處理流程圖。
圖3a-圖3c為陣列擴(kuò)展示意圖，其中圖3a為M元均勻直線陣、圖3b為M元均勻直線陣采用四階累積量的方法可以構(gòu)造出相當(dāng)于2M-1元均勻直線陣的陣列孔徑、圖3c為將M元均勻直線陣進(jìn)行陣元的優(yōu)化選取，采用四階累積量的方法同樣可以構(gòu)造出相當(dāng)于2M-1元均勻直線陣的陣列孔徑。
圖4為陣增益隨信噪比的變化。
圖5為擴(kuò)展后陣增益等于實際陣增益的臨界信噪比。
圖6為常規(guī)波束空間歸一化波束形成的試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果。
圖7為本發(fā)明方法的試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果。
具體實施例方式 下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述 主動聲納系統(tǒng)(如圖1)發(fā)射部分由波形發(fā)生器1經(jīng)多波束形成器2由功率放大器3發(fā)射出聲波。收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)4轉(zhuǎn)換發(fā)射與接收的狀態(tài)。當(dāng)主動聲納工作于接收狀態(tài)時，換能器基陣5接收的信號進(jìn)入接收機(jī)6。本發(fā)明利用優(yōu)化的陣列7作為接收基陣，來有效的降低接收系統(tǒng)的復(fù)雜度?；嚱邮盏降男盘柦?jīng)過前置放大器8、A/D采樣9、濾波器10進(jìn)入信號處理器11，最后進(jìn)入終端進(jìn)行顯示12。
本發(fā)明提出一種改進(jìn)波束性能的波束形成方法(如圖2)，包括對基元接收數(shù)據(jù)13進(jìn)行FFT處理14，選取主動聲納所對應(yīng)的頻率點進(jìn)行基于均勻線陣的四階累積量矩陣的構(gòu)造15，然后進(jìn)行波束空間歸一化16的Bartlett空間譜估計17。
應(yīng)用基于四階累積量的方法雖然具有陣列孔徑擴(kuò)展的特性，使得基陣的分辨力得到有效的提高，但是原有四階累積量方法的計算量很大，對于一個M元的均勻線陣而言，所構(gòu)造的四階累積量的矩陣為M2×M2。而在這M4個元素中，有很多的元素是冗余的，而且矩陣元素不是按照協(xié)方差方式排布的，陣列擴(kuò)展的物理意義不明確。為了保證虛擬后陣列孔徑不變的條件下，能夠減少計算的冗余，本發(fā)明采用了基于最小冗余陣列的陣列優(yōu)化方法。如附圖3所示，將M元的均勻線陣優(yōu)化成P元不等間距線陣，當(dāng)采用四階累計量進(jìn)行處理時可以得到相同的陣列擴(kuò)展孔徑，即2M-1。采用最小冗余陣列的形式，將陣列構(gòu)造成非均勻陣元間距的線陣形式，有效的減少了陣列的陣元數(shù)，從而減少系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。
對于陣列信號而言，可以同時分析其時間域、頻率域和空間域的信息。常規(guī)的波束形成方法，是采用時間域上的處理來得到空間域的信息。而無論是時間域上的處理還是頻率域上的處理不會影響其在空間域上的處理結(jié)果，因而可以采用頻率域的處理來代替時間域上的處理。
具體方法為對時間域的信號進(jìn)行FFT，得到其在頻率域上的分布。對于主動聲納而言，通過選取所對應(yīng)的頻率點代替時域上的采樣點，來進(jìn)行空間域上的方位估計。這種方法的優(yōu)勢在于頻率域上對頻率點的選擇，相當(dāng)于對信號進(jìn)行頻率上的濾波，在提高回波信號的檢測性能，提高后續(xù)算法在低信噪比下的估計精度，同時克服四階累積量對于多快拍數(shù)的要求。
在特定條件下，二階、四階統(tǒng)計特性之間只差一個常數(shù)對于任意兩個虛擬陣元位置為m，n的協(xié)方差矩陣為 四階累積量矩陣構(gòu)造得到 其中(i，j，p，q)∈{1，...，P}。對比式(1)、式(2)的共同點，發(fā)現(xiàn)

具有類似性。為了敘述方便，假定陣列是均勻直線陣，那么相位式子化簡為

和

(di+dp)相當(dāng)于虛擬陣元的位置，每計算一個累積量值的時候，以(di+dp)的位置為橫坐標(biāo)，以(dj+dq)的位置為縱坐標(biāo)，放置在相應(yīng)的二維矩陣中，矩陣的維數(shù)是擴(kuò)展虛擬陣元的個數(shù)?，F(xiàn)將四階累積量按照虛擬擴(kuò)展的陣列位置來放置，使得形成的矩陣為擴(kuò)展陣列的協(xié)方差矩陣，維數(shù)是Q×Q，其中Q＝2M-1是擴(kuò)展陣列的個數(shù)。
四階累積量有6種計算方法可以應(yīng)用，每一種算法都可以對應(yīng)一種擴(kuò)展陣型。因此，采用四階累積量的方法可以構(gòu)造出不同的陣列擴(kuò)展形式。如cum{xi*(t)，xj(t)，xp*(t)，xq(t)}與xum{xi*(t)，xj*(t)，xp(t)，xq(t)}擴(kuò)展的陣型就是不同的。
通過上述方法構(gòu)成的基于均勻線陣的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣可以用來構(gòu)造各種算法的空間譜估計，常用的如Bartlett、MUSIC、ESPRIT等。本專利所采用的為波束空間歸一化的Bartlett算法，Bartlett算法對基元的一致性、信號之間的獨立性要求不高并且陣列孔徑的擴(kuò)展會直接提高算法的空間分辨力。
進(jìn)行Bartlett空間譜估計，可以得到空間譜的表達(dá)式 PBartlett(θ)＝BH(θ)RB(θ) (3) 其中，B(θ)為對應(yīng)的均勻線陣的陣列流型，R為均勻線陣的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣。
本發(fā)明計算復(fù)雜度的降低主要表現(xiàn)在以下兩個方面 1.陣元的優(yōu)化，在保持虛擬陣列孔徑不變的情況下，使原來陣元數(shù)較多的基陣，通過陣元的優(yōu)化選取構(gòu)造成最小冗余陣列的非均勻線陣。
2.由于所構(gòu)造的基于線陣的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣為Hermite矩陣，所以在計算的過程中，可以只計算其上三角或下三角的部分，另一部分便可以直接求得。
因此，數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣構(gòu)造總的計算量為M×(2M-1)。
對于基元數(shù)為P的常規(guī)波束形成的陣列增益G＝P。
基于外推法的陣列增益與虛擬變換矩陣H的形式有關(guān)。
采用本發(fā)明方法的陣增益與噪聲的分布形式有關(guān)。
若噪聲是高斯型噪聲，則陣增益G＝∞。
若噪聲是超高斯或亞高斯型的，則陣增益與噪聲的四階中心距和方差有關(guān)。
注M為均勻線陣的陣元數(shù)，P為優(yōu)化后的陣元數(shù)，μ4是噪聲的四階中心距，σ2為噪聲的方差。
可以看出，外推法虛擬陣元的陣增益小于原有波束形成的陣增益。采用四階累計量方法處理得到的陣列增益在信噪比高于臨界信噪比時要高于常規(guī)波束形成方法，信噪比低于臨界信噪比時陣增益低于常規(guī)波束形成(這里定義本專利方法與常規(guī)波束形成方法具有相同陣增益時的信噪比為臨界信噪比)。圖4示出M＝20元的均勻線陣常規(guī)波束形成的陣增益與本發(fā)明方法的陣增益隨信噪比的變化曲線，其中噪聲為服從

的均勻分布的窄帶噪聲。由圖5示出，隨基元數(shù)的改變，臨界信噪比的變化不大，均在-5dB左右。
圖6、圖7示出了試驗數(shù)據(jù)處理的偽彩圖，目標(biāo)回波的信噪比較高。常規(guī)波束空間歸一化的波束形成的處理結(jié)果(圖6)，由于主瓣寬，旁瓣高的影響，導(dǎo)致背景干擾嚴(yán)重，目標(biāo)的回波位置不清晰。采用本發(fā)明方法的背景歸一化較好，目標(biāo)回波位置清晰可見。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點在于 采用優(yōu)化的陣列設(shè)計和構(gòu)造數(shù)據(jù)矩陣時冗余信息的去除使得系統(tǒng)的復(fù)雜度大大降低。同時，陣列具有相當(dāng)于原有陣列二倍孔徑的空間分辨力。在輸入信噪比大于臨界信噪比時，本發(fā)明方法可以獲得比常規(guī)波束形成方法更高的陣增益。通過旁瓣級的歸一化處理，使背景干擾得到了有效的抑制。
權(quán)利要求
1、一種提高基陣分辨力和增益的快速波束形成方法，其特征在于主要包括如下步驟
(1)采用最小冗余陣列的構(gòu)造，將M元均勻線陣優(yōu)化成P元非均勻線陣的形式；
(2)對P元基陣的基元數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理；
(3)在頻率域上，根據(jù)基于四階累積量的陣列孔徑擴(kuò)展特性構(gòu)造基于均勻線陣的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣；
(4)波束空間歸一化處理；
(5)進(jìn)行Bartlett空間譜估計。
2、如權(quán)利要求1所述的提高基陣分辨力和增益的快速波束形成方法，其特征在于所述的將M元均勻線陣優(yōu)化成P元非均勻線陣的形式的P元不等間距線陣?yán)盟碾A累積量的陣列孔徑擴(kuò)展特性得到相當(dāng)于2M-1元的陣列孔徑。
3、如權(quán)利要求2所述的提高基陣分辨力和增益的快速波束形成方法，其特征在于采用最小冗余陣列的構(gòu)造，將M元均勻線陣優(yōu)化成P元非均勻線陣的形式，數(shù)據(jù)的計算復(fù)雜度由M2×M2降為M×(2M-1)，對虛擬得到的均勻線陣進(jìn)行波束空間歸一化處理來有效抑制由旁瓣帶來的影響。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種提高基陣分辨力和增益的快速波束形成方法。采用最小冗余陣列的構(gòu)造，將M元均勻線陣優(yōu)化成P元非均勻線陣的形式；對P元基陣的基元數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理；在頻率域上，根據(jù)基于四階累積量的陣列孔徑擴(kuò)展特性構(gòu)造基于均勻線陣的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣；波束空間歸一化處理；進(jìn)行Bartlett空間譜估計。本發(fā)明利用四階累積量的陣列孔徑擴(kuò)展特性實現(xiàn)了使用優(yōu)化的基元布放形式來獲得高的分辨力，克服了原有基于四階累積量方法對快拍數(shù)要求高、計算復(fù)雜度大的缺點，使得計算過程簡單易行。在信噪比高于臨界信噪比時，本發(fā)明方法具有比常規(guī)波束形成更高的陣增益。波束空間的歸一化處理，實現(xiàn)了對背景干擾的有效抑制。本發(fā)明的波束形成方法簡單易行，非常適用于工程應(yīng)用。
文檔編號G01S7/52GK101609150SQ200910072468
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月7日
發(fā)明者李秀坤, 李婷婷, 楊士莪, 樸勝春, 黃金城 申請人:哈爾濱工程大學(xué)