一种稀疏阵列宽带波束形成的栅瓣抑制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种稀疏阵列宽带波束形成的栅瓣抑制方法。
【背景技术】
[0002] 稀疏阵列是指在等间距线阵进行布阵时阵元间距不小于工作频段范围内最大频 率值对应的半波长的阵列。阵列稀疏会使得波束形成结果出现栅瓣（副极大）是已经熟知 的物理现象，对于单频信号来说的所形成的栅瓣强度与主瓣相同，会使波束形成测向结果 出现方位模糊。宽带信号处理时由于频段范围内每个频点的栅瓣出现位置不同，而主瓣出 现位置相同，因而对栅瓣有更好的抑制作用，这使得宽带波束形成结果合成时不会出现模 糊，其在宽带单目标检测时阵稀疏的影响并不太明显，但当存在多个目标时强目标或强目 标的栅瓣作用对弱目标检测的影响较大。
[0003] 在水声阵列宽带信号处理中，只要布阵间距不满足对所有频点小于半波间距的要 求，对于大于布阵间距所对应频率的频点在〇~180°的测量区域范围内的波束输出就会 出现栅瓣（副极大），不同频率的栅瓣出现位置不同，而主瓣位置却相同，合成后的宽带波 束形成结果会使得目标主瓣方向波束输出与栅瓣值相比仍然很突出，不会影响对该目标的 检测，但在不同频率栅瓣的作用下，会使得栅瓣方位很大范围内的波束图背景升高，从而影 响对背景升高方位附近的其它弱目标检测。这里给出了一种用于稀疏阵列宽带波束形成的 栅瓣抑制方法，该方法可以对测得主方位的强干扰目标所引起的栅瓣进行消减抑制，进而 克服因栅瓣所引起的波束图背景升高而影响弱目标检测问题，提高强相干干扰下的弱目标 检测能力。
[0004] 经过文献检索发现，有下列文献对阵列宽带波束形成抗栅瓣影响问题进行了研 究：
[0005] 胡鹏，杨益新，杨士莪.基于线性预测的虚拟阵元波束形成.声学技术.2007， 26(4) :714-717页.（以下简称文献1);
[0006] 陈欢，杨德森，张揽月，郭小霞.基于遗传算法的声矢量阵虚拟阵元波束形成.信 号处理.2009, 25 (10) :1498-1501页.（以下简称文献2);
[0007] 靳晓宁，王磊，孙长瑜.组合阵栅瓣抑制方法研究.微计算机应用.2011，32(5): 19-26页.（以下简称文献3);
[0008] 文献1~2给出了一类抗阵稀疏引起的栅瓣影响的方法，这类方法通过虚拟阵元 的模式降低阵列稀疏程度来抗阵稀疏引起的栅瓣影响，缺点是必须已知目标的大概方位， 不适用于多目标检测。这类方法关注的是栅瓣对产生栅瓣的目标本身的检测和方位估计影 响问题，而不是抗该目标引起的栅瓣对其它弱目标检测的影响问题，与本发明提出的方法 在方法本身、技术手段以及针对要解决的问题上都有本质区别。
[0009] 文献3给出的是一种利用不等间距组合阵列来抗阵稀疏引起的栅瓣影响的方法， 需要对阵列的形状进行设计，不适用于一般等间距稀疏阵列情况，且方法抗栅瓣影响的性 能主要由阵列形状决定。与本发明提出的方法在技术手段上有本质区别。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于提供一种即适用于多目标又适用于一般等间距稀疏阵列的稀 疏阵列宽带波束形成的栅瓣抑制方法。
[0011] 本发明的目的是这样实现的：
[0012] 步骤1 :对稀疏阵列多个阵元接收到的阵列信号做频域宽带波束形成处理，得到 强干扰目标信号的方位9k以及各频点的空间谱输出P(f1;Θ)，组合形成频率方位空间谱 输出矩阵P;
[0013] 步骤2:利用步骤1得到的强干扰目标信号的方位Θ,进行栅瓣角预测，得到各个 频点的栅瓣角\:
[0014] 步骤3 :根据步骤2得到的栅瓣角0@和各频点主瓣宽度进行各频点栅瓣起止范围 解算，给出栅瓣范围1%^~
[0015] 步骤4 :根据步骤3得到的栅瓣范围计算栅瓣抑制权系数矩阵Wk;
[0016] 步骤5:利用步骤4得到的栅瓣抑制权系数矩阵Wk与步骤1得到的各频点的空间 谱输出矩阵P对栅瓣进行抑制，得到栅瓣抑制后的空间谱输出矩阵Ρ_;
[0017] 步骤6:利用加法将步骤5中栅瓣抑制后的空间谱输出矩阵相加进行宽带空间 谱合成得到栅瓣抑制后的宽带空间谱输出Ρ_(Θ)。
[0018] 为了解决一般等间距稀疏阵列所引起的宽带波束形成栅瓣影响问题，本发明针对 现有的虚拟阵元方法不适用于多目标检测、组合阵栅瓣抑制方法不适用于一般等间距稀疏 阵列情况的问题，提供了一种即适用于多目标又适用于一般等间距稀疏阵列的宽带波束形 成栅瓣抑制方法。
[0019] 本发明与之前栅瓣抑制方法的不同之处如下：
[0020] 阵列信号处理中，阵稀疏会使得波束形成结果出现栅瓣，宽带波束形成由于不同 频率栅瓣出现在不同的位置而对阵列稀疏有一定的容忍度，但会使得波束图背景升高从而 降低强弱对比情况下对弱目标的检测能力。为了降低阵列稀疏对宽带波束形成结果的影 响，给出了一种稀疏阵列宽带波束形成的栅瓣抑制方法。该方法可以对测得主方位的强干 扰目标所引起的栅瓣进行消减抑制，进而克服因栅瓣所引起的波束图背景升高而影响弱目 标检测问题，提高强相干干扰下的弱目标检测能力。
[0021] (1)传统的文献1、2中的虚拟阵元栅瓣抑制方法需要预知目标方位，且这类方法 关注的是栅瓣对产生栅瓣的目标本身的检测和方位估计影响，而不是强目标的栅瓣对弱目 标的检测和测量的影响。
[0022] (2)文献3给出的栅瓣抑制方法是通过对阵型进行不等间距组合设计实现的，这 一类方法需要对阵列的基元布放形式做出改变，不适用于一般的等间接稀疏阵列栅瓣抑制 问题。
[0023] (3)与虚拟阵元类栅瓣抑制方法相比，新方法针对的是强干扰目标引起的栅瓣对 弱目标检测的影响问题，而虚拟阵元类方法关注的是栅瓣对产生该栅瓣的目标本身的检测 和方位估计的影响，不适用于强弱目标对比的多目标情况。而在水声信号处理中，如何在强 干扰目标环境下实现对弱目标的检测一直是难点和重点问题，因此本发明方法具有更好的 实用性。
[0024] (4)与阵型设计类方法相比，本发明方法不需要改变阵列形式，是通过新的信号处 理方法进行栅瓣抑制的，适用于任意等间距稀疏线阵，因此应用成本更低。而且等间距线阵 是水声信号处理中最常用的阵列形式，因此容易得到更广泛的应用。
[0025] (5)与一些零陷类的干扰抑制方法相比，该方法没有明显的宽带应用角度盲区，不 会影响到对特定角度的宽带目标检测。
【附图说明】
[0026] 图1是【具体实施方式】一中阵列信号处理几何模型图；
[0027] 图2是【具体实施方式】一中栅瓣抑制实现流程框图；
[0028] 图3是【具体实施方式】一中栅瓣抑制处理方法流程图；
[0029] 图4是【具体实施方式】二中单目标常规波束形成空间谱频率方位输出矩阵P图；
[0030] 图5是【具体实施方式】五中单目标权矩阵^图；
[0031] 图6是【具体实施方式】六中单目标栅瓣消减后空间谱频率方位输出矩阵图；
[0032] 图7是仿真实验中单目标栅瓣消减前后宽带波束图对比图；
[0033] 图8是仿真实验中多目标常规波束形成空间谱频率方位输出矩阵Ρ图；
[0034] 图9是仿真实验中多目标权矩阵Wk图；
[0035] 图10是仿真实验中多目标栅瓣消减后空间谱频率方位输出矩阵图；
[0036] 图11是仿真实验中多目标宽带波束图对比图。
【具体实施方式】
[0037] 下面举例对本发明做更详细的描述。
[0038] 1、【具体实施方式】一：本实施方式结合图2和图3描述具体实现过程如下：一种稀 疏阵列宽带波束形成的栅瓣抑制方法，它按以下步骤实现：
[0039] 步骤1 :对稀疏阵列多个阵元接收到的阵列信号做频域宽带波束形成处理，得到 强干扰目标信号的方位9k以及各频点的空间谱输出P(f1;Θ)，组合形成空间谱输出矩阵 P;具体的频域宽带波束形成过程如图3中左侧虚线框中所示。
[0040] 步骤2 :利用步骤1得到的强干扰目标信号的方位Θ,进行栅瓣角预测，得到各个 频点的栅瓣角I;
[0041] 步骤3 :根据步骤2得到的栅瓣角％；和各频点主瓣宽度进行各频点栅瓣起止范围 解算，给出栅瓣范围;
[0042] 步骤4 :根据步骤3得到的栅瓣范围计算栅瓣抑制权系数矩阵Wk;
[0043] 步骤5 :利用步骤4得到的栅瓣抑制权系数矩阵Wk与步骤1得到的各频点的空间 谱输出矩阵P对栅瓣进行抑制，得到栅瓣抑制后的空间谱输出矩阵Ρ_;
[0044] 步骤6 :利用加法将步骤5中栅瓣抑制后的空间谱输出矩阵相加进行宽带空间 谱合成得到栅瓣抑制后的宽带空间谱输出Ρ_(Θ)。
[0045] 下面结合本发明的算法流程图3对本发明做更详细地描述。按照图1所示的几何 关系建立数学模型，将一个Μ元阵列在t时刻的阵列输出表示为如下形式：
[0046]X(t) = [xjt)，x2(t)，…，xM(t)]T (1)
[0047] =A(Θ)S (t) +N (t)
[0048] 其中各项变量定义如下：
[0049]S(t) = [sjt),s