专利名称：一种双线阵声纳左右舷识别方法及相应系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及声纳领域，特别涉及双线阵声纳中左右舷的识别。
背景技术：
声纳在航海领域中有着十分重要的作用，而拖曳式线列阵声纳由于远离拖曳平台(即实施拖曳的航行体，如舰船)，所接收信号中含有的拖曳平台噪声较少而得到了日益广泛的使用。由于声纳中所使用的声压水听器的无指向性，使得其构成的常规拖曳单线阵声纳具有“左右舷模糊”的问题，即当声纳探测到目标时，无法分辨目标来自左舷还是右舷。为了克服“左右舷模糊”的问题给常规拖曳单线阵声纳在判断目标来自左舷还是右舷时所带来的影响，常规拖曳单线阵声纳通常采用机动方法，即探测到目标以后拖船转弯，然后根据转弯前后目标的角度变化来判断目标是在拖船的左舷还是右舷。这种方法在实时性上显然存在不足，因此如何快速或者实时地分辨目标左右舷位置成为当前的研究热点。
当前，国外和国内的解决方案较多地集中于对接收端的改进，如采用三元水听器组、以双线阵为代表的多线阵，以及具有指向性的矢量水听器阵等，其中的双线阵是其中的一种。双线阵声纳能进行二维甚至三维的目标探测，是当前拖曳式线列阵声纳发展的一个方向。拖曳式双线阵声纳采用相位补偿方法使声纳具有左右舷分辨能力，但采用所述的相位补偿方法生成360度方向的波束形成数据时，在某些频率和角度上会出现左右舷输出相同的问题，而在其它频率和角度上，与目标物体共轭的镜像的功率输出虽然小于波达方向(即目标物体到来的方向)的功率输出，但是这种差异并不明显，容易造成误判。因此，双线阵声纳采用相位补偿方法生成360度方向的波束形成数据时，如何完全抑制目标物体的镜像的输出或对目标物体的镜像的输出进行较为完全的抑制是拖曳式双线阵声纳中需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是克服在左右舷识别时所采用的相位补偿方法不能完全抑制目标物体在镜像方向上的输出，容易使人产生误判的缺陷，从而提供一种效果更佳的左右舷识别方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种双线阵声纳左右舷识别方法，包括 步骤1)、采集水声数据，并根据所述水声数据计算双线阵在各个方向的波束输出，得到全方位的多波束形成数据，将所述全方位的多波束形成数据从时域转换到频域； 步骤2)、根据所述双线阵中各个阵元的位置信息计算所述双线阵的归一化波束输出函数，所述的归一化波束输出函数用于表示各个方向到达的各种频率的信号通过所述双线阵所形成的波束形成数据的归一化输出； 步骤3)、根据所述的归一化波束输出函数选择需要补偿的角度和频点； 步骤4)、根据所述的归一化波束输出函数，对所述的全方位多波束形成数据在所述的需要补偿的角度和频点上进行幅度和相位补偿； 步骤5)、对步骤4)所得到的结果进行功率计算，根据计算所得到的功率值进行左右舷判定。
上述技术方案中，在所述的步骤4)中，还包括在所述的需要补偿的角度和频点外的其它角度和频点上，采用原样输出或直接剔除的方式对所述的全方位多波束形成数据进行处理。
上述技术方案中，所述的归一化波束输出函数为 其中，θ0表示波达方向，f表示频率，A表示幅度，t表示时间，S(t，θ，θ0)表示在波达方向为θ0时，双线阵在波束形成之后θ方向的输出，用如下公式表示 其中的c表示声速，xAi，yAi，xBi和yBi是双线阵中各个阵元的x坐标和y坐标。
上述技术方案中，所述的步骤3)包括 步骤3-1)、根据所述的归一化波束输出函数，分别计算G(θ0，θ0)、G(-θ0，θ0)、G(θ0，-θ0)和G(-θ0，-θ0)的值； 步骤3-2)、计算G(θ0，θ0)G(-θ0，-θ0)-G(θ0，-θ0)G(-θ0，θ0)等于0或小于第一阈值时的角度和频点，所得到的角度和频点为无法补偿的角度和频点； 步骤3-3)、将除了所述无法补偿的角度和频点外的其它角度和频点作为需要补偿的角度和频点。
上述技术方案中，所述的第一阈值在0到1之间。
上述技术方案中，所述的第一阈值采用0.01。
本发明还提供了一种用于双线阵声纳左右舷识别的装置，包括左侧线列阵、右侧线列阵、全方位波束形成器、归一化波束输出函数生成器、补偿频率选择器、时域-频域转换器、幅度相位补偿器、各方位功率计算器、左右舷判决器；其中， 所述的左侧线列阵与右侧线列阵采集水声数据，然后将所得到的水声数据传输到所述全方位波束形成器中计算得到全方位的多波束形成数据；所得到的全方位的多波束形成数据在时域-频域转换器中实现从时域到频域的转换； 所述的归一化波束输出函数生成器根据所述双线阵中各个阵元的位置信息计算所述双线阵的归一化波束输出函数，然后根据所述的归一化波束输出函数在补偿频率选择器中选择需要补偿的角度和频点； 幅度相位补偿器将转换到频域后的全方位的多波束形成数据在需要补偿的角度和频点上进行幅度和相位补偿，然后将补偿后的结果在各方位功率计算器中进行功率计算，最后在左右舷判决器中根据功率计算的结果进行左右舷判决。
上述技术方案中，还包括左侧线列阵波束形成器以及右侧线列阵波束形成器，所述的左侧线列阵波束形成器连接到所述的左侧线列阵上，所述的右侧线列阵波束形成器连接到所述的右侧线列阵上，所述的左侧线列阵波束形成器以及右侧线列阵波束形成器还分别与所述的全方位波束形成器连接；其中，所述的左侧线列阵波束形成器以及右侧线列阵波束形成器在所述的左侧线列阵以及右侧线列阵处于平行位置时，分别从所述的左侧线列阵以及右侧线列阵采集水声数据，并根据所述的水声数据分别计算得到左侧单阵多波束形成数据以及右侧单阵多波束形成数据，所得到的左侧单阵多波束形成数据以及右侧单阵多波束形成数据在所述的全方位波束形成器中生成全方位多波束形成数据。
上述技术方案中，所述的幅度相位补偿器还在所述的需要补偿的角度和频点外的其它角度和频点上，采用原样输出或直接剔除的方式对所述的全方位多波束形成数据进行处理。
本发明的优点在于 1、本发明的方法与现有技术相比，通过相位补偿和幅度加权可以完全抑制目标物体在镜像方向上的输出，有利于识别目标物体的方位，解决左右舷模糊的问题。
2、本发明的方法简单实用，不需要增加过多的计算量，有利于实现。
3、本发明的方法在双线阵发生畸变的情况下，只需要知道双线阵的阵形信息，就可以计算出双线阵的归一化波束输出函数，从而准确地进行左右舷模糊共轭抵消，最终达到解决左右舷模糊问题的目的。
4、本发明在实现过程中采用了常规的波束形成方式，因此与常规波束形成一样，具有对噪声不敏感的优点。
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中 图1表示双线阵的布放和目标角度定义； 图2表示在双线阵平行的情况下本发明的左右舷识别装置的结构框图； 图3(a)表示未补偿时常规波束形成的功率输出方位历程图； 图3(b)表示补偿后常规波束形成的功率输出方位历程图； 图4(a)表示首阵元对齐情况下未补偿时各方位功率输出； 图4(b)表示首阵元对齐情况下补偿后各方位功率输出； 图5(a)表示首阵元不对齐情况下未补偿时各方位功率输出； 图5(b)表示首阵元不对齐情况下补偿后各方位功率输出； 图6表示阵形畸变情况下本发明的左右舷识别装置的结构框图； 图7(a)表示阵形畸变情况下双线阵未补偿时各方位功率输出； 图7(b)表示阵形畸变情况下双线阵补偿后各方位功率输出； 图8为本发明的双线阵声纳左右舷识别方法的流程图。
具体实施例方式 下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行说明。
在图1中给出了双线阵声纳在一个实施例中的示意图，从图中可以看出，在一个拖曳平台的尾部拖有一个双线阵，将左侧阵定义为A阵，将右侧阵定义为B阵，每个阵均由多个阵元组成。为了便于理解本发明的方法，假设在本实施例中的双线阵为平行双线阵，且A阵与B阵的首阵元对齐。在该双线阵中，假设阵间距为D，阵元间距为d，接收信号为单频信号，频率为f，幅度为A，声速为c。为了后续说明的需要，还要为双线阵声纳建立坐标系，在所建立的坐标系中，将船首到船尾定义为x轴，将右舷到左舷定义为y轴，将从上到下的方向定义为z轴，坐标原点为A阵的0号阵元位置。此外，还将拖曳平台的船头方向定为0度，将拖曳平台的左舷方向定为90度，右舷方向定为270度。
假设上述实施例中的双线阵声纳采用高斯白噪声背景做波束补偿，下面以该双线阵声纳为例，对本发明的方法如何实现左右舷识别进行说明。
左侧线列阵A和右侧线列阵B中的各个阵元分别采集水声数据，然后根据线列阵中阵元的位置和声速计算声波到达某一阵元和到达参考阵元的时间差，根据这个时间差对该阵元所接收到的信号进行时域或频域补偿，将各个阵元补偿后的信号相加即可得到线列阵在各个方向的波束输出，即多波束形成数据。所述多波束形成数据包括左侧线列阵A接收到的左侧单阵多波束形成数据，以及右侧线列阵B接收到的右侧单阵多波束形成数据。若假设水下目标的到来方向在坐标轴中呈θ角度，则用公式表示的上述数据分别如下 其中，上述的公式(1)表示左侧线列阵A中的各个阵元所接收到的信号，公式(2)表示右侧线列阵B中的各个阵元所接收到的信号，公式(3)表示左侧单阵多波束形成数据，公式(4)表示右侧单阵多波束形成数据。
在得到单侧的单阵多波束形成数据后，还需要将左侧和右侧的单阵多波束形成数据组合在一起，形成双阵360度方向的多波束形成数据。要完成所述的组合，需要根据双线阵的阵形参数(如阵间距D)，计算A阵和B阵的首阵元在各个角度上的延时值，然后根据这些延时值对单阵多波束形成数据做相位补偿并求和，最终得到双阵360度方向的多波束形成数据。所得到的双阵360度方向的多波束形成数据可以用公式(5)表示。
在本实施例中，由于假设A阵与B阵的首阵元是对齐的，因此双线阵的阵形参数只需要考虑双线阵的阵间距D。对于A阵与B阵的首阵元不对齐的其它情况，将会在下文中加以说明。
在公式(5)中所得到的多波束形成数据是时域信号，为了后续操作的需要，应当将这一时域信号转变成频域信号。这一转变操作的实现可以采用FFT方法，也可以根据需要计算某个频点上的输出(如单频情况)。
前述操作中，从水声数据的采集到双阵360度方向的多波束形成数据的生成实际上就是背景技术中所提到的相位补偿方法的实现步骤，它们都属于成熟的现有技术，因此没有对它们的具体实现细节进行说明，本领域的普通技术人员结合现有技术都可以实现。
转变成频域信号的双阵360度方向的多波束形成数据就是现有的拖曳式双线阵声纳采用相位补偿方法所得到的结果，从背景技术中可以看到，这些结果存在目标物体与其镜像间的功率输出差别不大、较难辨认的缺陷。以图4(a)为例，在图4(a)中，目标物体在60度方向，此处的波束输出有一个相应的峰值，但在目标物体的镜像上，即300度方向，同样存在一个峰值，虽然该峰值较60度方向上的峰值较低，但容易使人误以为在300度方向有另一个较小的目标物体，而这一较小的目标物体实际上并不存在。这也就是背景技术中所提到的“左右舷模糊问题”。为了克服这一问题，本发明需要对双阵360度方向的多波束形成数据进行补偿，以在目标物体的镜像方向上抑制虚假的目标物体信息。
为了达到这一目的，本发明根据双线阵的阵形信息计算一个归一化波束输出函数G(θ，θ0)，通过该函数可以得到一个波达方向为θ0，频率为f，初始相位为0，幅度为1的一个正弦信号常规波束形成的输出结果。该函数相当于一系列波达方向为θ0，幅度和频率各不相同的信号的叠加。前述双线阵的阵形信息与双线阵中各阵元的位置信息(在x-y平面上的坐标)相关，具体包括阵元间距d、阵间距D、阵夹角α、首阵元x坐标偏差等。在本实施例中，由于A阵与B阵平行且它们的首阵元对齐，因此，本实施例中的阵形信息只涉及到阵元间距d以及阵间距D。将前述的公式(3)和公式(4)代入公式(5)后，得到任意信号通过双线阵的波束输出，将所得到的波束输出变换到频域表示后，将输出结果归一化就可得到所述的归一化波束输出函数，该函数可以用公式(6)表示 其中，θ为波束形成方向，θ0为波达方向，N为阵元个数，f为来波频率，λ为波长。
根据上述公式可以在各个角度和频点上计算目标镜像的归一化波束输出函数的幅度和相位数据，在下列的公式中给出了当波束形成方向在某些特定角度时相应的归一化波束输出函数的值，这些值将会在后续的补偿操作中得到应用。
G(θ0，θ0)＝1 (7) 在得到归一化波束输出函数后，就可以根据这个函数对需要进行补偿的角度和频点进行筛选。在本发明中，所述的需要进行补偿的角度和频点是指除了无法进行补偿的角度和频点外的其它角度和频点。例如，在某些角度和频点上，由于左舷和右舷的输出相同，因此在这些角度和频点上无法进行补偿，而其临近角度和频点由于镜像方向输出与目标方向接近，也无法进行补偿。另外某些角度和频点上目标镜像方向输出为0也不需要进行补偿，但由于并不影响计算，因此，为方便起见可以认为除了无法进行补偿的角度和频点都是需要补偿的角度和频点。
根据前述的公式(6)可以对无法进行补偿的角度和频点进行推导。由公式(6)可知，当波达方向为θ0时，假设目标物体的信号为A(t)，常规波束形成的输出为A(t)G(θ，θ0)，目标的镜像方向为-θ0，因此目标镜像方向的输出为A(t)G(-θ0，θ0)；同理，当波达方向为-θ0时，假设目标物体的信号为B(t)，则它的目标镜像输出为B(t)G(θ0，-θ0)。如果假设目标的镜像方向同时有另一个目标的情况，则θ0方向的信号用A(t)表示，-θ0方向的信号用B(t)表示，选择波束形成的参考点为A阵的首阵元，波束形成后θ0方向的输出为L(t)，-θ0方向的输出为R(t)。则它们之间的关系满足以下公式 解上述方程可以得到 从上述结果可以知道，公式(11)中的方程只有在G(θ0，-θ0)G(-θ0，θ0)不为1时有解，当G(θ0，-θ0)G(-θ0，θ0)＝1时，L(t)＝R(t)，方程无解。因此，由G(θ0，-θ0)G(-θ0，θ0)＝1可以推导出0度和180度属于无法进行补偿的角度。此外，在其它的角度上，根据公式(8)也可以计算得到不能补偿的频点，例如，当声速为c，目标角度为90度，双阵间距为D时，频率为
(n∈Z)的频点不能补偿。对于这些无法进行补偿的频点，要解决左右舷模糊问题可以将这些频点在频域中去除或对其邻近频点的功率进行插值。
在得到筛选出来的需要进行补偿的角度和频点后，利用归一化波束输出函数对前述的双阵360度方向的多波束形成数据在频率域进行补偿，就可以得到多波束形成数据的补偿结果。这一补偿过程的实现可以参考公式(11)，在公式(11)中，L(t)和R(t)都可以由公式(5)所表示的双阵360度方向的多波束形成数据得到，其中双阵360度方向的多波束形成数据中的0度到180度数据形成L(t)，而180度到360度的数据形成R(t)；公式中的G(θ0，-θ0)和G(-θ0，θ0)可以根据公式(8)和公式(9)计算得到。
对于前述说明中所涉及的无法进行补偿的角度和频点，可以采用原样输出或直接剔除的方式。例如，在窄带情况下，若在某些角度上无法进行抵消那么只能直接输出，否则会丢失信息。而在宽带情况下，不能补偿的频点若直接输出就不会丢失信息，但抵消效果并不理想；若将不能抵消的频点从结果中直接去除，那么会得到较好的补偿效果，但输出的结果中就没有了目标在这些频点上的信息，导致信息丢失。因此，一般情况下，当声纳工作在宽带且频谱较为平稳时，若只进行方位信息提取，可以采用将不能补偿的频点在结果中直接剔除而补偿其它频点的方法。
在得到对双阵360度方向的多波束形成数据的补偿结果后，还需要计算补偿结果的功率，根据该功率值进行左右舷判定。在计算功率时，首先应当根据所述补偿结果在各个角度上对各个频点进行功率计算，然后将所有的功率计算结果进行叠加，得到双阵360度方向的多波束形成数据的功率，在左右舷判定时就是根据这一功率值进行判断。仍以图4为例，前面已经提到，图4(a)是未补偿前的双阵360度方向的多波束形成数据的功率输出图，从图中可知，在60度方向的目标物体在300度方向的镜像上，也有一个虚假的信号，从而容易造成误判。而在图4(b)中，示出了补偿后的双阵360度方向的多波束形成数据的功率输出图，从图中可以看出，在300度方向的虚假信号在补偿后受到了明显的抑制，方便了目标的左右舷判定。
针对上述方法，本发明还提供了相应的系统。如图2所示，在一个左右舷识别系统中，包括有左侧线列阵A、左阵波束形成器、右侧线列阵B、右阵波束形成器、全方位波束形成器、归一化波束输出函数生成器、补偿频率选择器、时域-频域转换器、幅度相位补偿器、各方位功率计算器、左右舷判决器等。其中的左侧线列阵A与右侧线列阵B从水中接收到水声信号后分别通过所述的左阵波束形成器与右阵波束形成器生成左侧单阵多波束形成数据和右侧单阵多波束形成数据，所述的左侧单阵多波束形成数据和右侧单阵多波束形成数据在所述的全方位波束形成器中形成双阵360度方向的多波束形成数据，然后将所得到的双阵360度方向的多波束形成数据在时域-频域转换器中做时域到频域的转换；与此同时，归一化波束输出函数生成器根据阵形信息生成归一化波束输出函数，然后根据该函数在补偿频率选择器中选择要进行补偿的角度和频率；在幅度相位补偿器中，根据频域转换后的双阵360度方向的多波束形成数据以及要进行补偿的角度和频率，实现对双阵360度方向的多波束形成数据的补偿，最后在各方位功率计算器中对补偿后的结果进行功率计算，并根据功率计算的结果在所述的左右舷判决器中做左右舷判决。
上述的左阵波束形成器、右阵波束形成器以及全方位波束形成器可以采用宽带波束形成器，也可以采用窄带波束形成器 以上是对双线阵中A阵与B阵是平行双阵且它们的首阵元对齐的情况下，如何实现左右舷识别的方法以及相关系统的说明。在实际应用中，还包括有A阵与B阵虽然平行，但它们的首阵元不对齐的情况，此类情况较首阵元对齐的情况相对复杂，在这种情况下，要实现左右舷识别的方法的实现步骤大致相同，但由于首阵元不对齐，导致线列阵的阵形信息发生了变化，因此在某些技术细节上存在着差异，下面对这些差异之处进行说明。
首先，由于A阵与B阵的首阵元不对齐，且以A阵的0号阵元位置作为坐标系的坐标原点，因此B阵中各个阵元所接收到的信号的数学表示与公式(2)有一定的差异，在下面的公式(12)和公式(13)中分别对A阵和B阵中各个阵元的信号的表达式加以说明 其中，在公式(13)中的X表示B阵首阵元的x轴坐标。
在得到A阵和B阵中各个阵元的信号后，根据这些信号还可以得到A阵和B阵的单阵多波束形成数据。A阵和B阵的单阵多波束形成数据的数学表达式与前一实施例相比并没有差异，仍然可以用公式(3)和公式(4)加以表示。但由单阵多波束形成数据所得到的双阵360度方向的多波束形成数据的数学表示式会有一定的变化，其公式如下 (14) 其次，由于归一化波束输出函数与双线阵的阵形信息相关，而当A阵与B阵的首阵元不对齐时，在计算归一化波束输出函数时除了阵元间距d以及阵间距D外，还涉及到B阵元的坐标偏差X。其计算公式如下 其中θ为波束形成方向，θ0为波达方向，N为阵元个数，f为来波频率，λ为波长。由上式可以推导出 G(θ0，θ0)＝1 (16) 由上述公式(15)、(16)、(17)、(18)可以看出，首阵元不对齐会影响双线阵声纳的归一化波束输出函数，但并不影响进行左右舷共轭抵消所使用的特殊角度上的值。故首阵元不对齐情况的补偿算法与首阵元对齐情况完全相同。
在A阵与B阵的首阵元不对齐情况下，所采用的左右舷识别系统与A阵与B阵首阵元对齐情况下所采用的左右舷识别系统并无差异，因此，不再做重复性说明。
图5(a)是平行双阵首阵元不对齐的情况下，未采用本发明方法时的波束输出结果示意图，图5(b)则是平行双阵首阵元不对齐的情况下，采用本发明方法后的波束输出结果示意图。将两个图进行比较后可以看出，未使用本方法时波束输出结果在波达方向的共轭方向(镜像)上有较为明显的输出，容易引起左右舷误判；而使用本发明方法后，波达方向的镜像输出被完全抑制，方便了判断目标的左右舷。这说明在首阵元不对齐的情况下本发明方法也能达到良好的效果。
上述实施例中，都是在左右阵平行的前提下，对本发明的方法及系统的说明。但在实际应用中，由于海浪的波动、拖曳平台的行进方向等多种因素的影响，双线阵声纳中的左右阵通常是不平行的，即双线阵的阵形发生了畸变。前述的左右阵平行的情况实际上是畸变情况的一种特殊形式，因此，对本发明方法在畸变情况下的实现步骤具有更广的适用性。与本发明方法在前述实施例中的实现步骤相比，基本步骤没有变化，但在具体的细节上有较大的差异。下面以差异之处为重点，参考图8对本发明方法的实现步骤进行说明。
仍以图1为例，对双线阵的布放和目标角度进行定义。A阵为左侧阵，B阵为右侧阵；船首到船尾定义为x轴，右舷到左舷定义为y轴，从上到下定义为z轴，坐标原点为A阵的0号阵元位置。假设接收信号为单频信号，频率为f，幅度为A，声速为c。阵元坐标为(xAi(t)，yAi(t))和(xBi(t)，yBi(t))，无噪声情况下各阵元接收到的信号为SA0(t)，SB0(t)，...，SA(N-1)(t)，SB(N-1)(t)。
当波达方向为θ时，各阵元接收到的信号为 SAi(t)＝Aexp{j2πf[t+(xAicosθ+yAisinθ)/c]} (19) SBi(t)＝Aexp{j2πf[t+(xBicosθ+yBisinθ)/c]} (20) 若波达方向为θ0，那么波束形成之后θ方向的输出为 在畸变情况下，单个线列阵除了具有竖向孔径外，还具有横向孔径，因此单个线列阵就可以生成360度的多波束形成数据。此外，由于畸变导致双阵可能不平行，因此，无法像前述实施例那样通过将单阵多波束形成数据组合生成全方位的多波束形成数据。上述表示多波束形成数据的公式(21)在线列阵平行的情况下，将公式进行简化也可以得到前述的公式(5)或公式(14)，即公式(5)或(14)是公式(21)在特定情况下的简化形式。
得到前述数据后，对数据做时域到频域的转换。
根据双线阵的阵形信息求得双线阵的归一化波束输出函数。由(21)式可知，波达方向为θ0时归一化波束输出函数为 由公式(22)可求出G(θ0，θ0)，G(-θ0，θ0)，G(θ0，-θ0)和G(-θ0，-θ0)的值。
在得到归一化波束输出函数以及在几个特殊角度的值以后，对双线阵中需要补偿的角度和频点进行筛选，选出可以进行补偿的角度和频点。
对可以进行补偿的角度和频点的选择可以通过前述的公式(22)实现。由公式(22)可知，波达方向为θ0时，信号为A(t)，则它的镜像输出为A(t)G(-θ0，θ0)；同理，波达方向为-θ0时，信号为B(t)，则它的镜像输出为B(t)G(-θ0，θ0)。如果考虑目标的镜像方向有另一个目标的情况。假设θ0方向信号为A(t)，-θ0方向信号为B(t)，选择波束形成的参考点为A阵的首阵元，波束形成后θ0方向的输出为L(t)，-θ0方向的输出为R(t)。则它们之间的关系满足 解方程可得 该方程在G(θ0，θ0)G(-θ0，-θ0)-G(θ0，-θ0)G(-θ0，θ0)不为0时有解。当G(θ0，θ0)G(-θ0，-θ0)-G(θ0，-θ0)G(-θ0，θ0)为0时，可以得到相应的不能补偿的角度和频点。此外，将阵形参数，角度和频点带入G(θ0，θ0)G(-θ0，-θ0)-G(θ0，-θ0)G(-θ0，θ0)后，所得到的结果的绝对值如果小于某一门限(如0.01)时，相应的角度和频点也都视为不能进行补偿。为避免左右舷模糊，可以将不能补偿的频点在频域中去除或通过其邻近频点的功率插值得到。由上式可知，除某些特定频点外，其它频点上目标镜像方向得到的信号均能抑制到0。
得到公式(24)后，在前述步骤所得到的可以进行补偿的角度和频点上对多波束频域输出进行幅度和相位补偿。不能补偿的角度和频点可以原样输出或直接剔除。
在得到补偿结果后，对补偿结果计算功率，然后根据功率值进行左右舷判定。这一过程与前述实施例并无不同，因此，不再做重复说明。
在图6中，对本实施例中的左右舷识别系统进行了说明，主要由左侧线列阵A、右侧线列阵B、全方位波束形成器、归一化波束输出函数生成器、补偿频率选择器、时域-频域转换器、幅度相位补偿器、各方位功率计算器、左右舷判决器等部分连接组成。其中的左侧线列阵A与右侧线列阵B从水中接收到水声信号后分别在所述的全方位波束形成器中形成360度方向的多波束形成数据，然后将所得到的双阵360度方向的多波束形成数据在时域-频域转换器中做时域到频域的转换；与此同时，归一化波束输出函数生成器根据阵形信息生成归一化波束输出函数，然后根据该函数在补偿频率选择器中选择要进行补偿的角度和频率；在幅度相位补偿器中，根据频域转换后的360度方向的多波束形成数据以及要进行补偿的角度和频率，实现对360度方向的多波束形成数据的补偿，最后在各方位功率计算器中对补偿后的结果进行功率计算，并根据功率计算的结果在所述的左右舷判决器中做左右舷判决。
在上述系统中，由于在畸变情况下，单个线列阵就可以生成360度的多波束形成数据，因此，与图2所示的前述实施例中的相应系统相比，不需要左阵波束形成器和右阵波束形成器。
图7(b)表示了在拖曳双线阵发生畸变情况下使用本发明的方法系统所得到的波束输出结果，其中的波达方向为90°，信噪比为0dB。与同样情况下未使用本发明方法的结果7(a))相比可以发现，未使用本方法时常规波束形成的输出在波达方向的共轭方向(镜像)有较为明显的输出，容易引起左右舷误判；而使用本发明方法后波达方向的镜像输出被完全抑制，方便判断目标的左右舷。这说明在阵形畸变的情况下，本发明方法也能得到良好的效果。
在图3(a)和图3(b)中还对补偿前后常规波束形成的功率输出方位历程图进行了比较，从这一比较中也可以看出本发明方法所能达到的良好效果。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1、一种双线阵声纳左右舷识别方法，包括
步骤1)、采集水声数据，并根据所述水声数据计算双线阵在各个方向的波束输出，得到全方位的多波束形成数据，将所述全方位的多波束形成数据从时域转换到频域；
步骤2)、根据所述双线阵中各个阵元的位置信息计算所述双线阵的归一化波束输出函数，所述的归一化波束输出函数用于表示各个方向到达的各种频率的信号通过所述双线阵所形成的波束形成数据的归一化输出；
步骤3)、根据所述的归一化波束输出函数选择需要补偿的角度和频点；
步骤4)、根据所述的归一化波束输出函数，对所述的全方位多波束形成数据在所述的需要补偿的角度和频点上进行幅度和相位补偿；
步骤5)、对步骤4)所得到的结果进行功率计算，根据计算所得到的功率值进行左右舷判定。
2、根据权利要求1所述的双线阵声纳左右舷识别方法，其特征在于，在所述的步骤4)中，还包括在所述的需要补偿的角度和频点外的其它角度和频点上，采用原样输出或直接剔除的方式对所述的全方位多波束形成数据进行处理。
3、根据权利要求1或2所述的双线阵声纳左右舷识别方法，其特征在于，所述的归一化波束输出函数为
其中，θ0表示波达方向，f表示频率，A表示幅度，t表示时间，S(t，θ，θ0)表示在波达方向为θ0时，双线阵在波束形成之后θ方向的输出，用如下公式表示
其中的c表示声速，xAi，yAi，xBi和yBi是双线阵中各个阵元的x坐标和y坐标。
4、根据权利要求3所述的双线阵声纳左右舷识别方法，其特征在于，所述的步骤3)包括
步骤3-1)、根据所述的归一化波束输出函数，分别计算G(θ0，θ0)、G(-θ0，θ0)、G(θ0，-θ0)和G(-θ0，-θ0)的值；
步骤3-2)、计算G(θ0，θ0)G(-θ0，-θ0)-G(θ0，-θ0)G(-θ0，θ0)等于0或小于第一阈值时的角度和频点，所得到的角度和频点为无法补偿的角度和频点；
步骤3-3)、将除了所述无法补偿的角度和频点外的其它角度和频点作为需要补偿的角度和频点。
5、根据权利要求4所述的双线阵声纳左右舷识别方法，其特征在于，所述的第一阈值在0到1之间。
6、根据权利要求5所述的双线阵声纳左右舷识别方法，其特征在于，所述的第一阈值采用0.01。
7、一种用于双线阵声纳左右舷识别的装置，其特征在于，包括左侧线列阵、右侧线列阵、全方位波束形成器、归一化波束输出函数生成器、补偿频率选择器、时域-频域转换器、幅度相位补偿器、各方位功率计算器、左右舷判决器；其中，
所述的左侧线列阵与右侧线列阵采集水声数据，然后将所得到的水声数据传输到所述全方位波束形成器中计算得到全方位的多波束形成数据；所得到的全方位的多波束形成数据在时域-频域转换器中实现从时域到频域的转换；
所述的归一化波束输出函数生成器根据所述双线阵中各个阵元的位置信息计算所述双线阵的归一化波束输出函数，然后根据所述的归一化波束输出函数在补偿频率选择器中选择需要补偿的角度和频点；
幅度相位补偿器将转换到频域后的全方位的多波束形成数据在需要补偿的角度和频点上进行幅度和相位补偿，然后将补偿后的结果在各方位功率计算器中进行功率计算，最后在左右舷判决器中根据功率计算的结果值进行左右舷判决。
8、根据权利要求7所述的用于双线阵声纳左右舷识别的装置，其特征在于，还包括左侧线列阵波束形成器以及右侧线列阵波束形成器，所述的左侧线列阵波束形成器连接到所述的左侧线列阵上，所述的右侧线列阵波束形成器连接到所述的右侧线列阵上，所述的左侧线列阵波束形成器以及右侧线列阵波束形成器还分别与所述的全方位波束形成器连接；其中，
所述的左侧线列阵波束形成器以及右侧线列阵波束形成器在所述的左侧线列阵以及右侧线列阵处于平行位置时，分别从所述的左侧线列阵以及右侧线列阵采集水声数据，并根据所述的水声数据分别计算得到左侧单阵多波束形成数据以及右侧单阵多波束形成数据，所得到的左侧单阵多波束形成数据以及右侧单阵多波束形成数据在所述的全方位波束形成器中生成全方位多波束形成数据。
9、根据权利要求7或8所述的用于双线阵声纳左右舷识别的装置，其特征在于，所述的幅度相位补偿器还在所述的需要补偿的角度和频点外的其它角度和频点上，采用原样输出或直接剔除的方式对所述的全方位多波束形成数据进行处理。
全文摘要
本发明提供一种双线阵声纳左右舷识别方法，包括采集水声数据，根据水声数据计算双线阵在各个方向的波束输出，得到全方位的多波束形成数据，并从时域转换到频域；根据双线阵中各个阵元的位置信息计算所述双线阵的归一化波束输出函数；根据归一化波束输出函数选择需要补偿的角度和频点；根据归一化波束输出函数，对全方位多波束形成数据在需要补偿的角度和频点上进行幅度和相位补偿；对结果进行功率计算，根据计算所得到的功率值进行左右舷判定。
文档编号G01S7/52GK101666876SQ200810119709
公开日2010年3月10日 申请日期2008年9月5日 优先权日2008年9月5日
发明者王福钋, 宇 李, 李淑秋, 黄海宁 申请人:中国科学院声学研究所