专利名称：一种基于相位滤波的波束形成方法
技术领域：
本发明涉及声纳信号处理领域，具体涉及多波束声纳的阵列信号处理领域，主要是一种 基于相位滤波的波束形成方法。
背景技术：
波束形成是声纳信号处理的一个热点研究问题。波束形成系统是现代声纳系统的核心部 件，是声纳具有良好的战术、技术性能的基础。常规波束形成方法(Coventionalbeamforming， 简称CBF)是阵列信号处理中的经典方法，它结构简单，易于实现，而且对各种恶劣的环境 有较好的适应能力。
多波束声纳接收来自不同方向的具有相同频率的海底反向散射信号，其强度随掠射角的 减小而衰减，并随海底底质、倾斜角度而变化，其海底某采样点的回波信号是海底一定面积 上的散射波。因此常规的波束形成算法的接收波束具有一定宽度，且没有陡峭的前沿，增加 了后续波达时间(TOA)估计的难度。如何使波束主瓣宽度变窄，并尽量抑制波束主轴以外 方向的回波信号，成为多波束声纳波束形成关心的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种适合于多波束声纳的基于相位滤波的波束形成方 法，使尽量抑制波束主轴以外方向的混响回波信号，最终提高后续波达时间(TOA)估计的 精度。
为解决以上技术问题，本发明是提出以下技术方案实现的 其包括以下步骤
步骤一采用M元任意阵型接收阵的接收信号，通过前置预处理机对基阵接收信号进行
时间滤波、A/D变换、放大等前置预处理。利用信号的希尔伯特(Hilbert)变换，得到阵元 输出信号的解析信号为-
=(")， ^ (")，…，4 (")r (1)
其中，A("),s(")，…,i^(w)为第i，2，…，M号阵元输出信号的解析信号，上标"r'表示转置。
步骤二把基阵分成两个子阵，这两个子阵通常是重叠的。第1，2，…，iV号阵元组成阵A，第丄，Z+l，…，M号阵元组成阵B，那么两个子阵各自输出信号的解析信号为-
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步骤三假设要形成^方位的波束，则整阵和A、 B两个子阵波束形成的驾驶向量分别
为
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其中，^(/^)二exp(y2;r/巧(,为第乂号阵元的驾驶向量，巧(力为第7号阵元到参考点(一 般设为坐标原点)的时延补偿，7、1，2，…，iV。则^方位的整阵和A、 B两个子阵波束输出 分别为
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步骤四计算子阵A和B的相位差序列为
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其中，朋g/e问表示对序列求相位，上标"*"表示求共轭。当接收到海底回波信号时，两子
阵的相位差序列的值处于零点附近。根据实际应用情况设定一个较小的相位差门限值5，使 当相位差序列A^^(《")大于3时，少(A")为零，则9方位的所要求得的波束输出结果为
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"为其他
本发明能带来以下有益效果
本发明根据分裂波束的相位差序列，对波束形成的结果进行相位滤波，得到基于相位 滤波的波束形成输出。本发明提供了一种新型的，计算方法简单，计算量小，易于实现的 基于相位滤波的波束形成方法，充分利用了相位信息，使波束的主瓣变窄，尽可能的抑制了波束主轴以外方向的混响回波信号，提高后续波达时间(TOA)估计的精度。
图l:本发明的波束形成流程框图2: 8元圆弧水听器基阵结构图3:采用常规波束形成的结果图4:采用基于相位滤波波束形成的结果具体实施例方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的描述-
本发明的波束形成流程框图如图1所示，这种基于相位滤波的波束形成方法，具体包括 以下步骤
步骤一采用M元任意阵型接收阵的接收信号，通过前置预处理机对基阵接收信号进行 时间滤波、A/D变换、放大等前置预处理。令阵元编号分别为1,2,…，M，则阵元输出信号
为
X(") = [X, (w)， x2 0),…，xM (")f ( 1 )
其中，A("),X2(")，…,;^(M)为第1，2，…，M号阵元的输出信号，上标"尸'表示转置。
步骤二利用信号的希尔伯特(Hilbert)变换，得到阵元输出信号的解析信号为-
=("), i2 ("),…，5M (")f (2)
其中>;(")， &0)为第J号阵元输出信号x/")的希尔伯特变换。
步骤三把基阵分成两个子阵，这两个子阵通常是重叠的。第1，2，…，iV号阵元组成阵A，
第丄，Z+l，…，M号阵元组成阵B，那么两个子阵各自输出信号的解析信号为
^ (")=ix (")， & (")，…，文w (")r (3)
^ (")=("), ^+i ("),… )r (4)
步骤四假设要形成^方位的波束，则整阵和A、 B两个子阵波束形成的驾驶向量分别
为
(6)
6K⑨=[w￡ (外(外…， , (7)
其中，巧(/")-expC/2;r/5(。)为第7号阵元的驾驶向量，^(力为第y号阵元到参考点(一 般设为坐标原点)的时延补偿，_/ = 1，2"..， W。则^方位的整阵和A、 B两个子阵波束输出 分别为
巡(8) 力(《")=，'" (9)
&(^，") = ^^)(io)
步骤五计算子阵A和B的相位差序列为
△As (《")=—e ") x (^ ")] (11)
其中，a"g/e[d)表示对序列求相位，上标"*"表示求共轭。则接收到海底回波信号时，两子
阵的相位差序列的值处于零点附近。根据实际应用情况设定一个较小的相位差门限值5，使
当相位差序列A^s(《")大于^时，；K《")为零，则0方位的波束输出结果为
G当、m邵寸(12)。
具体实例采用8元圆弧水听器基阵，结构如图2所示。阵元接收信号为某次湖试中的湖 底回波信号，信号采用10kHz单频信号。图3为采用常规波束形成的方位-距离图。图4为采 用基于相位滤波波束形成的方位-距离图。可见，本发明所给方法，优于常规波束形成方法， 能抑制波束主轴以外方向的混响回波信号，提高后续波达时间(TOA)估计的精度。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技 术方案，均落在本成果要求的保护范围。
权利要求
1、一种基于相位滤波的波束形成方法，其特征在于该方法包含以下步骤步骤一采用M元任意阵型接收阵的接收信号，前置预处理后利用信号的希尔伯特变换，得到阵元输出信号的解析信号为其中，为第1，2，...，M号阵元输出信号的解析信号，上标“T”表示转置；步骤二把基阵分成两个子阵，第1，2，…，N号阵元组成阵A，第L，L+1，...，M号阵元组成阵B，那么两个子阵各自输出信号的解析信号为步骤三假设要形成θ方位的波束，则整阵和A、B两个子阵波束形成的驾驶向量分别为W(θ)＝[w1(θ)，w2(θ)，…，wM(θ)](4)WA(θ)＝[w1(θ)，w2(θ)，…，wN(θ)] (5)WB(θ)＝[wL(θ)，wL+1(θ)，…，wM(θ)] (6)其中，wj(f，θ)＝exp(j2πfτj(θ))为第j号阵元的驾驶向量，τj(θ)为第j号阵元到参考点的时延补偿，j＝1，2，…，N，则θ方位的整阵和A、B两个子阵波束输出分别为步骤四计算子阵A和B的相位差序列为其中，表示对序列求相位，上标“*”表示求共轭，当接收到海底回波信号时，两子阵的相位差序列的值处于零点附近，设定一个相位差门限值δ，使当相位差序列大于δ时，y(θ，n)为零，则θ方位的所要求得的波束输出结果为
2、 根据权利要求1所述的基于相位滤波的波束形成方法，其特征在于前置预处理是指通过前置预处理机对基阵接收信号进行时间滤波、A/D变换、放大的处理。
3、 根据权利要求1所述的基于相位滤波的波束形成方法，其特征在于所述的两个子阵 是重叠的。
4、 根据权利要求1所述的基于相位滤波的波束形成方法，其特征在于所述的坐标原点 设为参考点。
全文摘要
本发明涉及声纳信号处理领域，主要是一种基于相位滤波的波束形成方法，根据分裂波束的相位差序列，对波束形成的结果进行相位滤波，得到基于相位滤波的波束形成输出。本发明有益的效果本发明提供了一种新型的，计算方法简单，计算量小，易于实现的基于相位滤波的波束形成方法，充分利用了相位信息，使波束的主瓣变窄，尽可能的抑制了波束主轴以外方向的混响回波信号，提高后续波达时间(TOA)估计的精度。
文档编号G01S7/52GK101504458SQ20091009647
公开日2009年8月12日 申请日期2009年3月10日 优先权日2009年3月10日
发明者烽 丁, 汪素萍, 祝恒年, 鹏 胡, 博 高 申请人:中国船舶重工集团公司第七一五研究所