一种扩展的拖曳阵宽带频域逆波束形成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水声探测领域，特别涉及一种扩展拖曳阵宽带频域逆波束形成方法。
【背景技术】
[0002] 随着水下远程探测技术的发展，线列阵越来越广泛地应用到水下目标探测当中， 拖曳阵及舷侧阵的探测性能也受到关注。线列阵波束形成技术的分辨率和输出信噪比都与 线阵的孔径长度及目标的辐射频率有着紧密联系。提高线阵对低频目标的方位分辨率需增 加孔径长度，然而，在现实中不可能无限制地增加物理孔径长度来获得高分辨率。因此合成 孔径技术的出现有效的解决了孔径不足的问题。
[0003] 随着合成孔径技术的发展，提出了多种被动合成孔径算法，包括Yen和Carey提出 的合成方法、Stergiopoulos和Sullivan提出的ETAM算法、Stergiopoulos和Urban提出 的快速傅里叶变换算法（FFTSA)以及一系列针对上述算法的改进算法。Yen和Carey提出 的合成方法需要预先获得接收阵和目标的相对运动速度，这给该方法的实际应用带来很大 不便。FFTSA方法是针对上述问题进行改进的方法，该方法无需上述的先验知识，ETAM方法 也具有这样的优点。研究表明ETAM方法是经典方法当中最优的处理方法。但该方法存在 低信噪比情况下性能急剧下降、多目标检测产生偏差的问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术中的合成孔径方法在低信噪比情况下性能急剧 下降、多目标检测产生偏差的问题，从而提供一种在低信噪比情况下仍然可以获得较高的 方位分辨率，并对多目标检测有所改善的方法。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提供了一种扩展的拖曳阵宽带频域逆波束形成方法， 包括：
[0006] 步骤1)、采用扩展拖曳阵算法获得被动合成孔径的时域信号；
[0007] 步骤2)、将步骤1)得到的合成孔径的时域信号做傅里叶变换，得到某一时刻扩展 拖曳阵中各个阵元的频域快拍信号；
[0008] 步骤3)、根据步骤2)得到的频域快拍信号，分多个频点求各个频点上的空间相关 函数；
[0009] 步骤4)、对步骤3)得到的各个频点的空间相关函数进行相位补偿求和，得到各个 频点的声场指向性函数；
[0010] 步骤5)、由一频点的声场指向性函数得到该频点的扩展阵频域宽带逆波束形成结 果，将所有频点的扩展阵频域宽带逆波束形成结果进行叠加，得到宽带逆波束形成的结果。
[0011] 上述技术方案中，所述步骤3 )包括：
[0012] 步骤3-1)、由步骤2)得到的频域快拍信号求取在一频点下、合成孔径中任意两个 阵元的互相关矩阵：
[0013] 步骤3-2)、对步骤3-1)所得到的互相关矩阵进行Toeplitz平均处理，得到该频点 的空间相关函数。
[0014] 上述技术方案中，所述步骤5)包括：
[0015]步骤5-1)、对步骤4)得到的频点的声场指向性函数进行离散化处理，得到频点扩 展阵频域宽带逆波束形成结果；
[0016] 步骤5-2)、对所有频点的扩展阵频域宽带逆波束形成结果进行叠加，得到宽带逆 波束形成的结果。
[0017] 本发明的优点在于：
[0018] 1、本发明的方法在低信噪比情况下仍然可以获得较高的方位分辨率，并对多目标 检测有所改善。
[0019] 2、本发明基于ETAM技术与宽带频域逆波束形成方法进行了有效的结合，形成了 一种新型被动合成孔径技术。有效的提高了被动合成孔径技术的探测性能，克服了传统的 ETAM技术在低信噪比下性能急剧下降的问题，与ETAM对比获得了更高的方位分辨率，同时 对于多目标和弱目标检测能力也更为优异。
【附图说明】
[0020] 图1是扩展拖曳阵算法的基本原理图；
[0021] 图2是声信号入射的示意图；
[0022] 图3是SNR=OdB下，本发明方法与现有技术方法的方位估计情况比较图；
[0023] 图4是SNR=_20dB下，本发明方法与现有技术方法的方位估计情况比较图；
[0024] 图5是现有技术中的ETAM方法、时域平均ETAM与本发明方位在估计精度上的对 比图；
[0025] 图6是现有技术中的方法与本发明方法在多目标方位估计（70、75度）上的比较 示意图；
[0026] 图7是现有技术中的方法与本发明方法在多目标方位估计（70、72度）上的比较 示意图；
[0027] 图8是本发明方法在不同信噪比下的多目标分辨率（70、75度）示意图；
[0028] 图9是现有技术中的方法与本发明方法的海试数据方位估计情况比较示意图；
[0029] 图10是现有技术中的ETAM方法、时域平均ETAM方法与本发明方法的方位历程 图；
[0030] 图11是本发明方法的流程图。
【具体实施方式】
[0031] 现结合附图对本发明作进一步的描述。
[0032] 本发明的扩展拖曳阵宽带频域逆波束形成方法以现有技术中的扩展拖曳阵算法 (ETAM)为基础，利用该算法进行孔径扩展获得虚拟孔径，然后通过逆波束形成方法进行虚 拟孔径的波束形成。与现有技术的ETAM相比，本发明有效地抑制了噪声干扰，获得更优的 探测性能。
[0033] 为了便于理解，下面首先对ETAM进行介绍。
[0034] 根据声源信号时间、空间相关性的理论和试验研究表明，对匀速运动的线列阵进 行孔径合成，低频水声信号的时空相关性是完全足够的，即：阵接收信号的空间相关长度大 于合成孔径的积分长度，相邻两次快拍中信号的时间相关长度也能满足相位补偿因子的求 解要求。图1为ETAM的基本原理图，在相隔时间为T的两个连续的快拍上，在对声场进行 空间采样时，共有N_q对阵元有相同的空间位置(其中N表示拖曳阵的阵元数，q表示拖曳 阵在运动前后两个时刻空间位置不重叠的阵元的个数)，它们之间相差一个相位因子。对这 N_q对重叠阵元求互相关，就可以得到所需的相位修正因子，补偿由于观测时延以及声场起 伏、拖曳阵的不规则运动或声源目标的相对移动引起的相位扰动，这种方法称为重叠相关 器，即扩展拖曳阵（ETAM)被动合成孔径方法。
[0035] 重叠阵元的个数决定了相位修正因子的精确性，最优重叠阵元数目是N/2。所以每 一次的ETAM合成孔径可以获得N/2个虚拟阵元。如果拖曳阵直线运动时间为T，可以进行 孔径合成的次数为
【主权项】
1. 一种扩展的拖曳阵宽带频域逆波束形成方法，包括： 步骤1)、采用扩展拖曳阵算法获得被动合成孔径的时域信号； 步骤2)、将步骤1)得到的被动合成孔径的时域信号做傅里叶变换，得到某一时刻扩展 拖曳阵中各个阵元的频域快拍信号； 步骤3)、根据步骤2)得到的频域快拍信号，分多个频点求各个频点上的空间相关函 数； 步骤4)、对步骤3)得到的各个频点的空间相关函数进行相位补偿求和，得到各个频点 的声场指向性函数； 步骤5)、由一频点的声场指向性函数得到该频点的扩展阵频域宽带逆波束形成结果， 将所有频点的扩展阵频域宽带逆波束形成结果进行叠加，得到宽带逆波束形成的结果。
2. 根据权利要求1所述的扩展拖曳阵宽带频域逆波束形成方法，其特征在于，所述步 骤3)包括： 步骤3-1)、由步骤2)得到的频域快拍信号求取在一频点下、合成孔径中任意两个阵元 的互相关矩阵： 步骤3-2)、对步骤3-1)所得到的互相关矩阵进行Toeplitz平均处理，得到该频点的空 间相关函数。
3. 根据权利要求1所述的扩展拖曳阵宽带频域逆波束形成方法，其特征在于，所述步 骤5)包括： 步骤5-1)、对步骤4)得到的频点的声场指向性函数进行离散化处理，得到频点扩展阵 频域宽带逆波束形成结果； 步骤5-2)、对所有频点的扩展阵频域宽带逆波束形成结果进行叠加，得到宽带逆波束 形成的结果。
【专利摘要】本发明涉及一种扩展的拖曳阵宽带频域逆波束形成方法，包括：采用扩展拖曳阵算法获得被动合成孔径的时域信号；将被动合成孔径的时域信号做傅里叶变换，得到某一时刻扩展拖曳阵中各个阵元的频域快拍信号；根据频域快拍信号，分多个频点求各个频点上的空间相关函数；对各个频点的空间相关函数进行相位补偿求和，得到各个频点的声场指向性函数；由一频点的声场指向性函数得到该频点的扩展阵频域宽带逆波束形成结果，将所有频点的扩展阵频域宽带逆波束形成结果进行叠加，得到宽带逆波束形成的结果。
【IPC分类】G01S7-52
【公开号】CN104678376
【申请号】CN201310625419
【发明人】王朋, 李峥, 黄勇, 刘纪元
【申请人】中国科学院声学研究所
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2013年11月28日