一种基于动态重修正的自适应波束形成方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水下声成像领域，尤其涉及一种基于动态重修正的自适应波束形成方 法及系统。
【背景技术】
[0002] 水下声成像技术已经在国防和民用领域取得广泛的应用，主要用于水下目标探测 与搜索，水底地貌绘制，海底沉船打捞等众多军事和民用领域。声成像是采用换能器主动发 射声波，通过水听器阵列接收回波数据，并采用信号处理手段来形成目标在某个二维平面 上的图像。由于应用不同，各种成像的技术要求、指标和方法不尽相同。如数字多波束成像、 合成孔径成像技术、时间反转成像技术和高分辨成像技术等。
[0003] 为了实现水下目标的实时高清晰声成像，就必须采用高分辨成像技术，而波束形 成技术是高分辨声成像的核心。由于水下环境的复杂性、声传播损失和吸收损失以及实际 系统的限制，波束形成有一定的误差和干扰，阵列信号处理中存在很多不确定性问题，例如 阵列安装误差、估计的样本协方差矩阵误差、指向误差等。在本系统中，多个探测器的协同 合作能在很大程度上提高扫描速度。并可计算得出扫描时间和探测器数量之间成反比的关 系。此外多探测器的协同合作也是当下在研项目探索深海三维立体扫描，对体目标进行精 确成像的数学模型的有效支撑。
[0004] 综合上述，特提出一种基于动态重修正的自适应波束形成方法及系统。
【发明内容】
[0005] 为了改进现有技术（对角加载技术）对接收信号数据的估计不足而引起的自适应 波束形成性能的下降，本发明的第一目的是在对角加载技术的基础上提出了一种自适应波 束形成的新方法，并能很好地在工程中得到应用。该方法可以在形成自适应波束中自动修 正和矫正接收数据，有效减少数据偏差，提高波束形成的准确性和稳健性，并提高水下探测 的准确性。
[0006] 本发明的第二目的在于提供一种自适应波束形成系统，如图5所示，该系统实现 简单，有利于减少波束形成过程中的偏差，提高波束形成的准确性和稳健性。
[0007] 为实现上述第一目的，本发明提供一种基于动态重修正的自适应波束形成方法， 所述方法包含如下步骤：
[0008] 步骤1 :如图3所示，考虑平面空间的等距均匀线阵，设阵元数为M，阵元间距为d， 其他d=λ/2,其中λ为阵列接收单元接收信号的波长，假设有L个信源回波（M>L)，设 波达方向为ΘpΘ2,...，θμ以阵列的第一个阵元作为基准点，则在第k次快拍的采样点 m的采样值为：
[0009]
[0010] 式中njk)表示第m个阵元上的噪声，Sl(t)表示各信源回波在基准点的基带信号。
[0011] 步骤2 :各阵元在快拍k时刻接收到的信号分别为Xi(k)，x2(k)，. . .，xM(k)，即： x(k) = [&(10，知(10，...，知(10]'此为阵列输入矢量。假设远场平面波信号包含不相关的 P个干扰信号，则x(k)=As(k)+n(k)，得到协方差矩阵估计值为;R=4i>(〇，(〇，式中 XX 允ι·=1 k表示阵列天线接收的信号帧数，x(i)表示阵列天线上i时刻接收的信号。i= 1，2,...，k。采样频率为f，上标Η表示矩阵的共拒装置，A为L个信号源对应的方向矢量。其中
[0012]
[0013]
[0014] 步骤3 :在上述接收基阵背面加一个信号接收单元用于和协同工作设备的通信和 误差调整，设两设备始终工作在对方的远场某处，可近似看作平面波从空间某一方向射入 到基阵，信号入射方向为Θ，通过交互信息获得。协作设备之间通过确认信息之后开始进行 误差动态调整。令波束指向等于Θ，减少扫描时间，接收器接收信号的频率，设为阵列天线 的采样频率f，由直线型接收天线阵列可知，相邻阵元接收到的信号，由于误差而引起相位 差为，因为令波指向ΘΒ等于Θ，所以接收阵元不需要进行相移，通信接收器模 拟直线阵列进行误差矩阵估计时，模拟的第i个基元与第1个基元之间接收信号的相位差 为φι= (i-Ι)Φ，此时假定通信接收器接收信号的相位为〇，x'Jn)为系统在快拍η时刻 各阵元的模拟采样信号
[0015] X' ^η) =w；exp[j(fn+Φ；)]
[0016]
[0017] 幅度加权系数，在此设^= 1 ;c为光速，^为各阵元相对于参考点（第1个 基元）的位置，k为波束向量，a=k/|k|表示电波的传播方向，为单位向量，
[0018] Wi(η)的频带带宽B比载波值f。小很多，信号X'i(η)变化相对缓慢，满足关系 丄(延迟时间)《^，故有」?/?)?X丨⑷，即信号包络在各个模拟阵元上的差cBe
[0019] 异可以忽略不计。则模拟出阵列天线一个采样时刻的数据向量，记作
[0020]
[0021] 其中mT+n' =n(即快拍η时刻），此处约定η彡T，以避免m-1 < 0情况。 (?表示向下取整;r=M*j：，为参考信号的周期；X' ?表示接收矩阵第i个阵元的模拟数据，
[0022] 得到参考ig号的协方差矩阵估计值为
[0023] 设备预存的参考信号协方差为&，与接收到的参考信号I之间的关系为 也=1+凡，得到误差矩阵的估计为Dxx。
[0024] 步骤4:对干扰加噪声的协方差矩阵估计值进行改进，改进后的协方差矩阵为 Rxx，它们之间满足：& =心+化得到修改后的协方差矩阵Rxx。
[0025] 步骤5 :修改后的协方差矩阵Rxx与对角加载后的协方差矩阵之间的关系满足R= RXX+LI
[0026] 取ε=std[diag(Rxx)]，则对角加载系数L满足下述不等式
[0027]ε<L<trace(Rxx)/M，其中Μ是阵元数；trace表示轨迹。
[0028] 由对角加载技术确定对角加载系数L，得到输入矢量协方差矩阵R。由步骤2得知 系统在快拍k时刻接收到的信号分别为Xl (k)，x2 (k)，. . .，xM (k)，即：
[0029]x(k) = [XiGO^GO，· · ·，xM(k)]T，输入数据矩阵Xm= [xT(l)，xT⑵，· · ·，xT(n)] T。则系统的输出信号为y(n) =wHx(n)，输出功率为P(n) =E{|y(n) |2} =E{ |wH(n)x(n) |2} =wH (n)Rw(n) 2然后采用基于LCMV的逆QR分解采样矩阵求逆，即IQRD-SMI算法求解权向 量w，生成自适应波束。
[0030] 为了实现上述第二目的，本发明提供一种自适应波束成形成系统，所述系统中包 括：
[0031]信号预处理模块（100)，用于对接收阵列接收到的信号进行滤波放大、下边频等预 处理，得到基带信号，完成采样。
[0032]空间协方差矩阵估计模块（101)，用于接收100模块发送的采样数据，并对其进行 计算，得到采样数据的空间协方差矩阵估计矩阵。
[0033]输入矢量数据阵（102)，是把100模块的采样信息缓存在高速存储器中，作为权向 量生成算法的已知量保存。
[0034] 改进后的空间协方差矩阵估计模块（103)，是本发明的核心内容。是根据205模块 得到的误差矩阵对系统最初得到的空间协方差矩阵估计进行改进，用于逼近真实的空间协 方差矩阵值。
[0035]对角加载模块（104)，是在得到改进后的协方差矩阵估计值的基础上，根据已成熟 的对角加载技术对协方差矩阵进行加载，得到加载后的空间协方差矩阵。
[0036]输入矢量协方差矩阵（105)，是完成对角加载后的空间协方差矩阵，并同102模块 一样，保存在高速存储器中，作为IQRD-SMI算法求解权向量的输入。
[0037] 权向量生成模块（106)是根据IQRD-SMI算法求解权向量的算法模块，从而生成自 适应波束。
[0038]缓存模块（200)，是对单路通信信号的采样进行缓存处理，然后通过采集周期性的 通信信号来模拟接收阵元的接收数据。
[0039]信号分离模块（201)，是根据探测器之间的通信协议和预存参考信号模块204的 信息对缓存后的信号进行分离，得到通信数据和参考信号的采样值。
[0040]通信数据模块（202)，是用于保存201模块分离出来的探测器之间的通信信息的 模