一種稀疏陣列寬帶波束形成的柵瓣抑制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種稀疏陣列寬帶波束形成的柵瓣抑制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 稀疏陣列是指在等間距線陣進(jìn)行布陣時(shí)陣元間距不小于工作頻段范圍內(nèi)最大頻 率值對應(yīng)的半波長的陣列。陣列稀疏會(huì)使得波束形成結(jié)果出現(xiàn)柵瓣（副極大）是已經(jīng)熟知 的物理現(xiàn)象，對于單頻信號(hào)來說的所形成的柵瓣強(qiáng)度與主瓣相同，會(huì)使波束形成測向結(jié)果 出現(xiàn)方位模糊。寬帶信號(hào)處理時(shí)由于頻段范圍內(nèi)每個(gè)頻點(diǎn)的柵瓣出現(xiàn)位置不同，而主瓣出 現(xiàn)位置相同，因而對柵瓣有更好的抑制作用，這使得寬帶波束形成結(jié)果合成時(shí)不會(huì)出現(xiàn)模 糊，其在寬帶單目標(biāo)檢測時(shí)陣稀疏的影響并不太明顯，但當(dāng)存在多個(gè)目標(biāo)時(shí)強(qiáng)目標(biāo)或強(qiáng)目 標(biāo)的柵瓣作用對弱目標(biāo)檢測的影響較大。
[0003] 在水聲陣列寬帶信號(hào)處理中，只要布陣間距不滿足對所有頻點(diǎn)小于半波間距的要 求，對于大于布陣間距所對應(yīng)頻率的頻點(diǎn)在〇~180°的測量區(qū)域范圍內(nèi)的波束輸出就會(huì) 出現(xiàn)柵瓣（副極大），不同頻率的柵瓣出現(xiàn)位置不同，而主瓣位置卻相同，合成后的寬帶波 束形成結(jié)果會(huì)使得目標(biāo)主瓣方向波束輸出與柵瓣值相比仍然很突出，不會(huì)影響對該目標(biāo)的 檢測，但在不同頻率柵瓣的作用下，會(huì)使得柵瓣方位很大范圍內(nèi)的波束圖背景升高，從而影 響對背景升高方位附近的其它弱目標(biāo)檢測。這里給出了一種用于稀疏陣列寬帶波束形成的 柵瓣抑制方法，該方法可以對測得主方位的強(qiáng)干擾目標(biāo)所引起的柵瓣進(jìn)行消減抑制，進(jìn)而 克服因柵瓣所引起的波束圖背景升高而影響弱目標(biāo)檢測問題，提高強(qiáng)相干干擾下的弱目標(biāo) 檢測能力。
[0004] 經(jīng)過文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，有下列文獻(xiàn)對陣列寬帶波束形成抗柵瓣影響問題進(jìn)行了研 究：
[0005] 胡鵬，楊益新，楊士莪.基于線性預(yù)測的虛擬陣元波束形成.聲學(xué)技術(shù).2007， 26(4) :714-717頁.（以下簡稱文獻(xiàn)1);
[0006] 陳歡，楊德森，張攬?jiān)?，郭小?基于遺傳算法的聲矢量陣虛擬陣元波束形成.信 號(hào)處理.2009, 25 (10) :1498-1501頁.（以下簡稱文獻(xiàn)2);
[0007] 靳曉寧，王磊，孫長瑜.組合陣柵瓣抑制方法研究.微計(jì)算機(jī)應(yīng)用.2011，32(5): 19-26頁.（以下簡稱文獻(xiàn)3);
[0008] 文獻(xiàn)1~2給出了一類抗陣稀疏引起的柵瓣影響的方法，這類方法通過虛擬陣元 的模式降低陣列稀疏程度來抗陣稀疏引起的柵瓣影響，缺點(diǎn)是必須已知目標(biāo)的大概方位， 不適用于多目標(biāo)檢測。這類方法關(guān)注的是柵瓣對產(chǎn)生柵瓣的目標(biāo)本身的檢測和方位估計(jì)影 響問題，而不是抗該目標(biāo)引起的柵瓣對其它弱目標(biāo)檢測的影響問題，與本發(fā)明提出的方法 在方法本身、技術(shù)手段以及針對要解決的問題上都有本質(zhì)區(qū)別。
[0009] 文獻(xiàn)3給出的是一種利用不等間距組合陣列來抗陣稀疏引起的柵瓣影響的方法， 需要對陣列的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，不適用于一般等間距稀疏陣列情況，且方法抗柵瓣影響的性 能主要由陣列形狀決定。與本發(fā)明提出的方法在技術(shù)手段上有本質(zhì)區(qū)別。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的在于提供一種即適用于多目標(biāo)又適用于一般等間距稀疏陣列的稀 疏陣列寬帶波束形成的柵瓣抑制方法。
[0011] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0012] 步驟1 :對稀疏陣列多個(gè)陣元接收到的陣列信號(hào)做頻域?qū)拵Рㄊ纬商幚?，得?強(qiáng)干擾目標(biāo)信號(hào)的方位9k以及各頻點(diǎn)的空間譜輸出P(f1;Θ)，組合形成頻率方位空間譜 輸出矩陣P;
[0013] 步驟2:利用步驟1得到的強(qiáng)干擾目標(biāo)信號(hào)的方位Θ,進(jìn)行柵瓣角預(yù)測，得到各個(gè) 頻點(diǎn)的柵瓣角\:
[0014] 步驟3 :根據(jù)步驟2得到的柵瓣角0@和各頻點(diǎn)主瓣寬度進(jìn)行各頻點(diǎn)柵瓣起止范圍 解算，給出柵瓣范圍1%^~
[0015] 步驟4 :根據(jù)步驟3得到的柵瓣范圍計(jì)算柵瓣抑制權(quán)系數(shù)矩陣Wk;
[0016] 步驟5:利用步驟4得到的柵瓣抑制權(quán)系數(shù)矩陣Wk與步驟1得到的各頻點(diǎn)的空間 譜輸出矩陣P對柵瓣進(jìn)行抑制，得到柵瓣抑制后的空間譜輸出矩陣Ρ_;
[0017] 步驟6:利用加法將步驟5中柵瓣抑制后的空間譜輸出矩陣相加進(jìn)行寬帶空間 譜合成得到柵瓣抑制后的寬帶空間譜輸出Ρ_(Θ)。
[0018] 為了解決一般等間距稀疏陣列所引起的寬帶波束形成柵瓣影響問題，本發(fā)明針對 現(xiàn)有的虛擬陣元方法不適用于多目標(biāo)檢測、組合陣柵瓣抑制方法不適用于一般等間距稀疏 陣列情況的問題，提供了一種即適用于多目標(biāo)又適用于一般等間距稀疏陣列的寬帶波束形 成柵瓣抑制方法。
[0019] 本發(fā)明與之前柵瓣抑制方法的不同之處如下：
[0020] 陣列信號(hào)處理中，陣稀疏會(huì)使得波束形成結(jié)果出現(xiàn)柵瓣，寬帶波束形成由于不同 頻率柵瓣出現(xiàn)在不同的位置而對陣列稀疏有一定的容忍度，但會(huì)使得波束圖背景升高從而 降低強(qiáng)弱對比情況下對弱目標(biāo)的檢測能力。為了降低陣列稀疏對寬帶波束形成結(jié)果的影 響，給出了一種稀疏陣列寬帶波束形成的柵瓣抑制方法。該方法可以對測得主方位的強(qiáng)干 擾目標(biāo)所引起的柵瓣進(jìn)行消減抑制，進(jìn)而克服因柵瓣所引起的波束圖背景升高而影響弱目 標(biāo)檢測問題，提高強(qiáng)相干干擾下的弱目標(biāo)檢測能力。
[0021] (1)傳統(tǒng)的文獻(xiàn)1、2中的虛擬陣元柵瓣抑制方法需要預(yù)知目標(biāo)方位，且這類方法 關(guān)注的是柵瓣對產(chǎn)生柵瓣的目標(biāo)本身的檢測和方位估計(jì)影響，而不是強(qiáng)目標(biāo)的柵瓣對弱目 標(biāo)的檢測和測量的影響。
[0022] (2)文獻(xiàn)3給出的柵瓣抑制方法是通過對陣型進(jìn)行不等間距組合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，這 一類方法需要對陣列的基元布放形式做出改變，不適用于一般的等間接稀疏陣列柵瓣抑制 問題。
[0023] (3)與虛擬陣元類柵瓣抑制方法相比，新方法針對的是強(qiáng)干擾目標(biāo)引起的柵瓣對 弱目標(biāo)檢測的影響問題，而虛擬陣元類方法關(guān)注的是柵瓣對產(chǎn)生該柵瓣的目標(biāo)本身的檢測 和方位估計(jì)的影響，不適用于強(qiáng)弱目標(biāo)對比的多目標(biāo)情況。而在水聲信號(hào)處理中，如何在強(qiáng) 干擾目標(biāo)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對弱目標(biāo)的檢測一直是難點(diǎn)和重點(diǎn)問題，因此本發(fā)明方法具有更好的 實(shí)用性。
[0024] (4)與陣型設(shè)計(jì)類方法相比，本發(fā)明方法不需要改變陣列形式，是通過新的信號(hào)處 理方法進(jìn)行柵瓣抑制的，適用于任意等間距稀疏線陣，因此應(yīng)用成本更低。而且等間距線陣 是水聲信號(hào)處理中最常用的陣列形式，因此容易得到更廣泛的應(yīng)用。
[0025] (5)與一些零陷類的干擾抑制方法相比，該方法沒有明顯的寬帶應(yīng)用角度盲區(qū)，不 會(huì)影響到對特定角度的寬帶目標(biāo)檢測。
【附圖說明】
[0026] 圖1是【具體實(shí)施方式】一中陣列信號(hào)處理幾何模型圖；
[0027] 圖2是【具體實(shí)施方式】一中柵瓣抑制實(shí)現(xiàn)流程框圖；
[0028] 圖3是【具體實(shí)施方式】一中柵瓣抑制處理方法流程圖；
[0029] 圖4是【具體實(shí)施方式】二中單目標(biāo)常規(guī)波束形成空間譜頻率方位輸出矩陣P圖；
[0030] 圖5是【具體實(shí)施方式】五中單目標(biāo)權(quán)矩陣^圖；
[0031] 圖6是【具體實(shí)施方式】六中單目標(biāo)柵瓣消減后空間譜頻率方位輸出矩陣圖；
[0032] 圖7是仿真實(shí)驗(yàn)中單目標(biāo)柵瓣消減前后寬帶波束圖對比圖；
[0033] 圖8是仿真實(shí)驗(yàn)中多目標(biāo)常規(guī)波束形成空間譜頻率方位輸出矩陣Ρ圖；
[0034] 圖9是仿真實(shí)驗(yàn)中多目標(biāo)權(quán)矩陣Wk圖；
[0035] 圖10是仿真實(shí)驗(yàn)中多目標(biāo)柵瓣消減后空間譜頻率方位輸出矩陣圖；
[0036] 圖11是仿真實(shí)驗(yàn)中多目標(biāo)寬帶波束圖對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)的描述。
[0038] 1、【具體實(shí)施方式】一：本實(shí)施方式結(jié)合圖2和圖3描述具體實(shí)現(xiàn)過程如下：一種稀 疏陣列寬帶波束形成的柵瓣抑制方法，它按以下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0039] 步驟1 :對稀疏陣列多個(gè)陣元接收到的陣列信號(hào)做頻域?qū)拵Рㄊ纬商幚?，得?強(qiáng)干擾目標(biāo)信號(hào)的方位9k以及各頻點(diǎn)的空間譜輸出P(f1;Θ)，組合形成空間譜輸出矩陣 P;具體的頻域?qū)拵Рㄊ纬蛇^程如圖3中左側(cè)虛線框中所示。
[0040] 步驟2 :利用步驟1得到的強(qiáng)干擾目標(biāo)信號(hào)的方位Θ,進(jìn)行柵瓣角預(yù)測，得到各個(gè) 頻點(diǎn)的柵瓣角I;
[0041] 步驟3 :根據(jù)步驟2得到的柵瓣角％；和各頻點(diǎn)主瓣寬度進(jìn)行各頻點(diǎn)柵瓣起止范圍 解算，給出柵瓣范圍;
[0042] 步驟4 :根據(jù)步驟3得到的柵瓣范圍計(jì)算柵瓣抑制權(quán)系數(shù)矩陣Wk;
[0043] 步驟5 :利用步驟4得到的柵瓣抑制權(quán)系數(shù)矩陣Wk與步驟1得到的各頻點(diǎn)的空間 譜輸出矩陣P對柵瓣進(jìn)行抑制，得到柵瓣抑制后的空間譜輸出矩陣Ρ_;
[0044] 步驟6 :利用加法將步驟5中柵瓣抑制后的空間譜輸出矩陣相加進(jìn)行寬帶空間 譜合成得到柵瓣抑制后的寬帶空間譜輸出Ρ_(Θ)。
[0045] 下面結(jié)合本發(fā)明的算法流程圖3對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述。按照圖1所示的幾何 關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，將一個(gè)Μ元陣列在t時(shí)刻的陣列輸出表示為如下形式：
[0046]X(t) = [xjt)，x2(t)，…，xM(t)]T (1)
[0047] =A(Θ)S (t) +N (t)
[0048] 其中各項(xiàng)變量定義如下：
[0049]S(t) = [sjt),s