基于恒定水平分辨率的波束形成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及阵列信号处理领域，特别涉及一种基于恒定水平分辨率的波束形成方 法。
【背景技术】
[0002] 波束形成技术是阵列信号处理中的一项主要研究内容，它在声纳、雷达、通信、语 音信号处理、地震监测以及生物医学工程等众多军事及国民经济领域得到了广泛的应用。 为了更好的描述波束形成方法的性能，可以用水平方向的分辨率（以下简称水平分辨率） 来表示。水平分辨率是指平行于阵列长度方向的两个目标之间的最小可区分距离，其理论 分辨率W的计算公式为：W = r θ H，其中，r为目标到阵列的距离，单位为米，θ H为阵列的水 平开角，单位为弧度。
[0003] 从上面的公式可以看出，当阵列水平开角固定时，水平分辨率随距离而变化，所以 距离越远，水平分辨率就越差，对远处目标的识别能力就越差。为了保持恒定的水平分辨 率，就需要水平开角随距离而变化。
[0004] 但现有技术中的阵列系统为了简化设计，都采用水平开角固定的方法，这样水平 分辨率就随距离而变化。水平分辨率随距离的变化，将会导致常规的阵列系统具有近处水 平分辨率高，阵列系统覆盖范围小，出现漏目标的现象；远处水平分辨率低，目标畸变，识别 能力下降的现象。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术中的阵列系统水平分辨率随距离变化的缺陷，从 而提供一种能够保持水平分辨率恒定的波束形成方法。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提供了一种基于恒定水平分辨率的波束形成方法，包 括：阵列系统在多个作用距离处改变阵列系统的长度，使阵列系统在不同的作用距离处实 现恒定的水平分辨率。
[0007] 上述技术方案中，该方法具体包括：
[0008] 步骤1)、根据选定的阵列系统的最大水平分辨率1_、阵列系统的工作频率及阵列 系统的最大作用距离r_，由公式
得到阵列的最大长度L_;
[0009] 步骤2)、根据选定的阵列系统的最小水平分辨率W_、阵列系统的工作频率及阵列 系统的最小作用距离r_，由公另
得到阵列的最小长度L_;
[0010] 步骤3)、把阵列系统的最大水平分辨率W_和步骤2)得到的L _代入公式
得到需要改变阵列长度的第一个距离点r1;
[0011] 步骤4)、将阵列系统的最小水平分辨率W_和步骤3)得到的r 入公式
得到改变后的第一个阵列长度L1;
[0012] 步骤5)、判断当前的阵列长度是否大于步骤1)所得到的Lniax，若是，将L niax作为最 后一个基阵长度，否则，执行下一步；
[0013] 步骤6)、把阵列系统的最大水平分辨率Wniax和当前的阵列长度代入公式
得到需要改变阵列长度的距离点；
[0014] 步骤7)、将阵列系统的最小水平分辨率1_和步骤6)得到的距离点所代表的距离 值代入公式
得到改变后的新的阵列长度，将这一阵列长度作为当前的阵列长 度，然后重新执行步骤5)。
[0015] 本发明的优点在于：
[0016] 1、本发明的波束形成方法能够根据对水平分辨率的不同控制要求，方便地改变阵 列的长度；
[0017] 2、本发明的波束形成方法通过改变基阵的长度，可以使有效测量范围内的水平分 辨率保持在一定的范围内，可以避免传统阵列系统近处水平分辨率高、阵列系统覆盖范围 小、出现漏目标的现象，也可以避免远处水平分辨率低、目标畸变、识别能力下降的问题。
【附图说明】
[0018] 图1是阵列系统中阵列长度与阵列开角之间的关系示意图；
[0019] 图2是本发明方法的流程框图；
[0020] 图3是可改变长度的阵列对应的波束图。
【具体实施方式】
[0021] 现结合附图对本发明作进一步的描述。
[0022] 在【背景技术】中已经提到，水平分辨率W的理论值计算公式为：
[0023] W = r θ H
[0024] 其中，r为目标到阵列的距离，单位为米，θ H为阵列的水平开角，单位为弧度。
[0025] 由水平分辨率W的上述计算公式可以得到Θ H= W/r ;
[0026] 水平开角与阵列长度（阵列从第一个阵元到最后一个阵元之间的距离）的关 系可采用如下表达式：
其中，λ为波长，单位米；L为阵列长度，单位为米；
其中C为信号的传播速度，电磁波的速度一般取3. 0 X 10sm/s，声波在水中的传播速 度一般取1500m/s，f为信号的频率，单位Hz。
[0027] 由上述公式，可以得到距离r与阵列长度L之间的关系为
[0028] 在图1中展示了阵列长度与阵列开角之间的关系，阵列的长度不同，阵列的开角 也不同。本发明方法通过改变阵列的长度，进而改变阵列的开角，使阵列系统在不同的作用 距离处实现恒定的水平分辨率。基于距离r与阵列长度L之间的关系，本发明方法的流程 框图如图2所示，具体包括以下步骤：
[0029] 步骤1)、根据选定的最大水平分辨率Wniax、阵列系统的工作频率及阵列系统的最大 作用距离r_，由公式
得到阵列的最大长度L_;
[0030] 步骤2)、根据选定的最小水平分辨率1_、阵列系统的工作频率及阵列系统的最小 作用距离r_，由公式
得到阵列的最小长度L_;
[0031] 步骤3)、把1_和步骤2)得到的L_R入公式
可以得到需要改变阵 列长度的第一个距离点^，这时候用阵列长度L_获得的水平分辨率为W
[0032] 步骤4)、将1_和步骤3)得到的。代入公式
得到改变后的第一个阵 列长度L1;
[0033] 步骤5)、判断当前的阵列长度是否大于步骤1)所得到的Lniax，若是，将L niax作为最 后一个基阵长度，否则，执行下一步；
[0034] 步骤6)、把Wniax和当前的阵列长度代入公式
得到需要改变阵列长度 的距离点；
[0035] 步骤7)、将W_和步骤6)得到的距离点所代表的距离值代入公式
得 到改变后的新的阵列长度，将这一阵列长度作为当前的阵列长度，然后重新执行步骤5)。
[0036] 在一个实施例中，将本发明的方法应用在声纳系统中，系统参数为：系统的工作频 率为100kHz，声速c = 1500m/s，最大作用距离为500米，最小作用距离为50米，Wniax为1 米，胃_为0. 5米。
[0037] 计算过程如下：
[0038] (1)把最大水平分辨率Wniax、工作频率f及声纳的最大作用距离代入到公式
得到阵列的最大长度Lmax= 6. 3米；
[0039] (2)把最小水平分辨率W_、工作频率f及声纳的最小作用距离r_代入到公式
得到阵列的最小长度Lmin= 1. 26米；
[0040] (3)根据公￥
把UP L _代入，可以得到需要改变阵列长度的第一 个距离点A= 100米；
[0041] (4)根据公?!
把1_和。代入，可以得到改变后的第一个阵列长度1^ =2. 52 米；
[0042] (5)根据公式
把WniaJP L i代入，可以得到需要改变阵列长度的第二个 距离点r2= 200米；
[0043] (6)根据公式
把1_和。代入，可以得到改变后的第二个阵列长度1^2 =5. 04 米；
[0044] (7)根据公式
把1_和1^2代入，可以得到需要改变阵列长度的第三个 距离点r3= 400米；
[0045] (8)根据公式
把1_和^代入，可以得到改变后的第四个阵列长度1^3 =10. 08 米；
[0046] (9)这时L3已经大于Lniax，所以最后一个阵列长度为L_。
[0047] (10)通过上面的计算，得到阵列长度分别为2. 52米、5. 04米和6. 3米，对应的距 离分别为100米、200米和400米。
[0048] 根据以上的理论计算，对可改变长度的阵列进行波束图仿真，仿真结果如图3。
[0049] 图3是可改变长度的阵列对应的波束图，三个波束所对应的阵列的长度分别是 2. 52米、5. 04米和6. 3米。由仿真结果可知，阵列越长对应的波束宽度越窄，三个波束对应 的角度分辨率分别为[0. 00530. 00270. 0021]rad，则在距离为100米、200米和400米所对 应的水平分辨率为〇. 53米、0. 54米和0. 84米，与理论值接近，且符合系统设计要求，可知此 发明方法可以实现恒定的水平分辨率。
[0050] 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。
【主权项】
1. 一种基于恒定水平分辨率的波束形成方法，包括：阵列系统在多个作用距离处改变 阵列系统的长度，使阵列系统在不同的作用距离处实现恒定的水平分辨率。2. 根据权利要求1所述的基于恒定水平分辨率的波束形成方法，其特征在于，该方法 具体包括： 步骤1)、根据选定的阵列系统的最大水平分辨率Wm。、、阵列系统的工作频率及阵列系统 的最大作用距离rm。、，由公式#到阵列的最大长度Lm。、； 步骤2)、根据选定的阵列系统的最小水平分辨率Wmm、阵列系统的工作频率及阵列系统 的最小作用距离rmm，由公式得到阵列的最小长度Lmi。； 步骤3)、把阵列系统的最大水平分辨率Wm。、和步骤2)得到的Lmi。代入公式得到需要改变阵列长度的第一个距离点ri; 步骤4)、将阵列系统的最小水平分辨率Wmi。和步骤3)得到的r1代入公式得到改变后的第一个阵列长度Li; 步骤5)、判断当前的阵列长度是否大于步骤1)所得到的Lm。、，若是，将LmJ乍为最后一 个基阵长度，否则，执行下一步； 步骤6)、把阵列系统的最大水平分辨率Wm。、和当前的阵列长度代入公式得到需要改变阵列长度的距离点； 步骤7)、将阵列系统的最小水平分辨率Wmm和步骤6)得到的距离点所代表的距离值代 入公式得到改变后的新的阵列长度，将运一阵列长度作为当前的阵列长度，然 后重新执行步骤5)。
【专利摘要】本发明涉及一种基于恒定水平分辨率的波束形成方法，包括：阵列系统在多个作用距离处改变阵列系统的长度，使阵列系统在不同的作用距离处实现恒定的水平分辨率。本发明的波束形成方法能够根据对水平分辨率的不同控制要求，方便地改变阵列的长度；通过改变基阵的长度，可以使有效测量范围内的水平分辨率保持在一定的范围内，可以避免传统阵列系统近处水平分辨率高、阵列系统覆盖范围小、出现漏目标的现象，也可以避免远处水平分辨率低、目标畸变、识别能力下降的问题。
【IPC分类】G01S7/52
【公开号】CN105319543
【申请号】CN201510364887
【发明人】许枫, 刘佳, 闫路
【申请人】中国科学院声学研究所
【公开日】2016年2月10日
【申请日】2015年6月26日