一种基于信号子空间聚焦的宽带阻塞阵波束形成方法与流程

本发明涉及的是一种声纳信号处理方法，具体地说是一种宽带信号主瓣干扰抑制的波束形成方法。

背景技术：

阵元接收的信号通过基阵接收系统波束形成处理后能够形成设计的指向性；能够滤除环境噪声，提高信噪比；可以进行空域滤波，抑制空间干扰；进行多目标分辨，提供目标方位估计；可以为目标定位或距离、深度估计创造条件；以及为目标识别提供信息。相比于单频信号，宽带信号包含更充分的目标信息，使其在目标检测、参量估计、目标特征提取等方面具有更强的优势，因此关于宽带信号的波束形成算法就具有更大的研究价值。

当接收信号中含有干扰信号时，需要对干扰信号进行抑制，当干扰位于波束旁瓣时，解决方法较多，而位于主瓣时，解决方法较少。阻塞阵是常见的主瓣干扰抑制方法，目前阻塞阵主要还是针对窄带信号，研究主波束畸变抑制等方向，对宽带信号一般采取传统的划分子带方法，缺乏针对性设计。常规宽带阻塞阵性能相比于窄带或单频信号阻塞阵性能下降明显，旁瓣高，不适于低信噪比条件。

因此研究专门的宽带信号阻塞阵处理方法，改善性能宽带阻塞阵性能具有实际工程意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种运算速度快，能降低噪声的影响的基于信号子空间聚焦的宽带阻塞阵波束形成方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤1、将信号带宽等分为j个子带，对接收信号做傅里叶变换，得到宽带频域快拍xj及协方差矩阵rj；

步骤2、将第j个子带的数据协方差矩阵rj做特征分解，获得信号子空间uj和特征值λj；

步骤3、设定聚焦频点f0(下角标0表示聚焦频率)，并设计第j个子带的聚焦矩阵u0为聚焦频率处的信号子空间；

步骤4、对第j个子带数据进行聚焦变换取均值作为宽带聚焦下的协方差矩阵rt；

步骤5、设计聚焦频点处的阻塞阵b，对聚焦后的数据进行阻塞r＝brtb^h；

步骤6、利用权向量w对阻塞后的数据进行波束形成，估计期望信号方位。

本发明还可以包括：

1、步骤1具体包括：接收站的宽带频域输出记为x＝[x1,x2,...,xj,...xj]，式中，第j个子带频域输出表示为xj＝aj(θs)ssj+aj(θi)sij+nj；ssj，sij分别为期望信号与干扰信号，aj(θs)，aj(θi)分别为二者的导向矢量，nj为噪声，协方差矩阵

2、步骤2具体包括：特征分解表示为uj为信号子空间，λj为特征值，为方差，i为单位矩阵。

3、步骤3具体包括：聚焦矩阵tj满足是酉矩阵。

4、步骤4具体包括：聚焦后第j个子带的协方差矩阵为取均值作为宽带聚焦下的协方差矩阵。

5、阻塞阵b表示为

为干扰信号在f0处相邻阵元间的相位差，阻塞后的协方差矩阵r＝brtb^h。

6、权向量w＝r^-1a′0/(a′0^hr^-1a′)，a′0＝bb^ha0，a0为f0处的的导向矢量。

为解决干扰信号位于主瓣内时，常规宽带阻塞阵性能下降问题，本发明结合宽带聚焦思想，提出了一种基于信号子空间聚焦的宽带阻塞阵波束形成方法(简称子空间聚焦阻塞阵)。

本发明通过宽带聚焦减少了宽带阻塞次数，提高了运算速度；采取将信号子空间聚焦到同一频点而非将信号成分聚焦到同一频点，能降低噪声的影响，提高主旁瓣比；同时聚焦矩阵为酉矩阵，不会改变输出信噪比，也不破坏噪声的统计特性。

附图说明

图1是声纳平面波远场接收示意图。

图2是基于信号子空间聚焦的宽带阻塞阵波束形成流程图。

图3a-图3d是常规宽带阻塞阵波束形成仿真结果，其中：图3a，θi＝2°；图3b，θi＝5°；图3c，θi＝10°；图3d，θi＝30°。

图4a-图4d是子空间聚焦阻塞阵波束形成仿真结果，其中：图4a，θi＝2°；图4b，θi＝5°；图4c，θi＝10°；图4d，θi＝30°。

具体实施方式

下面结合附图，详细说明本发明提供的基于信号子空间聚焦的宽带阻塞阵波束形成方法。

在本实施例中，图1为声纳平面波远场接收示意图，图中期望回波和干扰回波都来自远场。

图2为基于信号子空间聚焦的宽带阻塞阵波束形成方法示意图。根据本实施例，处理流程如下：

首先将宽带信号带宽等分为j个子带，对其做傅里叶变换，将接收站的宽带频域输出记为

x＝[x1,x2,...,xj,...xj]

其中第j个子带频域输出可表示为

xj＝aj(θs)ssj+aj(θi)sij+nj

其中，aj(θs)为信号导向矢量；aj(θi)为干扰导向矢量；ssj为信号频域输出；sij为干扰频域输出；nj为第j个子带的噪声频域输出。

第j个子带的协方差矩阵可表示为对其特征分解可得

式中uj是信号子空间，λj是特征值，为方差，i为单位矩阵。宽带聚焦的核心是将各频率信号成分搬移到相同频率上，进行统一处理。将信号子空间聚焦到相同频点也可达到此目的。

记x0为聚焦频点处的频域数据，同时以下角标“0”表示聚焦频率。选取中心频率作为聚焦频率。设计聚焦频率如下

其中u0为聚焦频率处的信号子空间。

对第j个子带数据进行聚焦变换

聚焦变换将各个频点的信号子空间统一在了聚焦频点上。并且满足

其中聚焦矩阵tj是酉矩阵，则变换不改变输出信噪比，也不破坏噪声的统计特性。

将变换后的数据协方差矩阵记为并且取均值作为宽带聚焦下的协方差矩阵

设计聚焦频点处的阻塞阵表示为

其中，为干扰信号在聚焦频率f0处相邻阵元间的相位差。

对聚焦后的数据进行阻塞，阻塞后的协方差矩阵表示为r＝brtb^h。

权向量可以表示为

w＝r^-1a′0/(a′0^hr^-1a′)

其中a′0＝bb^ha0，a0为聚焦频率f0处的导向矢量。

利用权向量对阻塞后的数据进行波束形成，估计期望信号方位。

下面结合具体仿真实例，比较本发明提出的基于信号子空间聚焦的宽带阻塞阵与常规宽带阻塞阵性能。

信号为宽带噪声信号，中心频率8khz，带宽2khz，脉宽100ms。采用16元均匀线阵，半波长间距(对应中心频率)。在信号带宽内以100hz宽度划分子带。图3a-图3d为常规宽带阻塞阵波束形成仿真结果图，图中期望信号在0°方向，干扰信号分别来自2°、5°、10°、30°方向，snr＝10db，inr＝-40db。干扰信号角度大于5°时，常规宽带阻塞阵能够有效抑制干扰信号，并在期望信号方向形成正确的波束输出，但当干扰信号角度为2°时，尽管实现了干扰抑制，但零陷使得期望信号方向的波束主瓣低于旁瓣，性能影响较大。

图4a-图4d为子空间聚焦阻塞阵波束形成仿真结果图。采用子空间聚焦算法预先处理能改善常规宽带阻塞阵性能，在干扰信号角度为2°时，主瓣位置正确且高于旁瓣，在干扰信号角度大于5°时，子空间聚焦阻塞阵测向准确，且整个区间都有较低的旁瓣。与图3a-图3d对比可知，子空间聚焦阻塞阵相比于常规宽带阻塞阵，能够有效提高主旁瓣比，在干扰与期望信号相距较近时，仍能在有效抑制干扰的同时分辨出期望信号方位。