一种基于扩展孔径声纳的变换域波束形成方法与流程

本发明属于水声信号处理领域，具体涉及一种基于扩展孔径声纳的变换域波束形成方法。

背景技术：

近些年来，多波束图像声纳技术在海底地形地貌测绘、石油管线检测和水下目标探测领域得到了广泛的应用，为了获取高清晰度的声纳图像，需要同时提高声纳图像的距离向分辨率和角度向分辨率。

在宽带信号系统中，距离分辨率通常由接收信号的有效带宽决定，而角度分辨率通常由接收阵列的有效孔径和接收信号频率决定。在实际应用中，图像声纳在特定的应用领域内，改变其特定的工作频率范围将会导致其探测性能下降，因此，通常选用扩大声纳系统的有效接收阵列孔径来提高角度分辨率。

为了不增加阵列尺寸，降低换能器阵列的硬件成本，可以采用虚拟扩展孔径声纳来提高角度向分辨率，其工作原理是不同的发射阵发射正交波形，接收端经过匹配滤波进行发射信号分离，然后做接收和发射波束形成，达到扩展实际接收阵列孔径的目的。但在工程应用中，完全正交的信号是不存在的，则发射信号之间的高互相关性将会导致距离向旁瓣抬高，降低了声纳图像的距离向清晰度。

技术实现要素：

本发明是这样实现的：

一种基于扩展孔径声纳的变换域波束形成方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一根据声纳系统指标要求，根据扩展孔径声纳的等效阵元相位中心原理，即一个发射阵元与一个接收阵元组成一个模块，此模块的相位中心位于两个阵元的几何中心，合理布置发射阵、接收阵的位置；若声纳接收阵列为一维阵列，则将两个发射阵布放在接收阵的两端，若声纳接收阵列为二维平面阵列，方位向和俯仰向都需要扩展，则在接收平面阵列的周围布放四个发射阵；设一均匀直线接收阵列，相邻阵元间距为半波长，阵元个数为M，阵列两端布置两个发射阵，则扩展孔径声纳的角度向波束宽度表示为

式中，BW为角度向的波束宽度，单位为弧度，λ为发射信号波长，d为相邻接收阵元间距，为波束偏置角，设定

设一均匀二维平面接收阵列，相邻阵元间距为半波长，水平向阵元个数为L，俯仰向阵元个数为Q，四个发射阵列布置在接收面阵的四个角，则水平向波束宽度和俯仰向波束宽度为：

其中，BWθ为水平向波束宽度，为俯仰向波束宽度，dθ为水平向相邻阵元间距，为俯仰向相邻阵元间距；

步骤二按照布置的发射接收阵型，在发射基阵端，发射阵同时发射相互正交波形，实际中不存在完全正交的信号，设计发射信号在变换域中特征不同的信号，以一维接收阵列为例，两个发射阵，发射两个不同频率的正弦信号，且两个信号的频率响应曲线-3dB无重叠，即频率无交叉，则此两个发射信号的频率特征不同；又如在不同中心频率的正负调频信号，则两个发射信号在STFT时频域具有不同的特征，即可认为两个发射阵发射的为正交信号；

s1(t)＝cos(2πf1t+K1πt²)

s2(t)＝cos(2πf2t+K2πt²)

式中，s1(t)，s2(t)为两端的发射阵发射的正交信号，一个发射阵的发射中心频率为f1，频率变化率为K1，t为时间点，另外一个发射阵的发射中心频率为f2，频率变化率为K2，两个信号的中心频率不同，频率变化率不同；

步骤三接收阵接收目标的反射信号，即回波信号，回波信号中含有多个正交发射信号的目标反射信号的叠加，为实现波形分离，结合发射正交信号在变换域不同的特征，对回波信号在变换域内分别进行接收波束形成处理，进行变换域滤波接收波束形成；

设接收阵列为一维线阵，两个发射信号发射不同频率信号，两个信号在频域的特征不同，则分别在不同频率进行接收波束形成；若两个发射信号发射不同频率的上下调频信号，由于两类信号在不同阶分数阶傅里叶变换域具有不同的特征，根据分数阶傅里叶变化具有提取多分量chirp信号参数的能力，则采用分别在不同阶数分数阶傅里叶变换域进行接收波束形成处理；

分别对接收信号进行不同阶的分数阶傅里叶变换，即

式中，x(t)为接收的目标反射信号，为p1阶的分数阶傅里叶变换核函数，为x(t)对应的p1阶的分数阶傅里叶变换域函数，为p2阶的分数阶傅里叶变换核函数，为x(t)对应的p2阶的分数阶傅里叶变换域函数；

步骤四逆变换域变换，发射波束形成；对变换域接收波束形成处理之后的信号，进行逆变换域变换，变换到波束域时域信号，根据不同的发射阵对目标反射形成的时延差，在时域进行发射波束形成处理，即对不同发射阵形成的时延差用波束形成补偿，进而获取扩展孔径声纳的距离向角度向声图。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的提出方法能够降低发射波形高相关性对距离向高旁瓣的影响，实现扩展孔径声纳的声图距离向高清晰图。

2、本发明的提出方法可以选择在多个变换域内实现，实现流程简单，易于实现。

附图说明

图1是本发明一维阵列扩展孔径原理示意图；

图2是本发明二维平面阵列扩展孔径声纳基阵布置示意图；

图3是本发明本发明实施流程框图；

图4是本发明接收阵列孔径波束图比较。

具体实施方式

下面结合附图对发明做更详细地描述：

本发明涉及一种基于扩展孔径声纳的变换域波束形成方法，由于虚拟扩展孔径声纳系统中，发射信号的不完全正交，降低了声纳图像的距离向清晰度，该发明采用变换域接收波束形成方法实现虚拟扩展孔径声纳的距离向高清晰度。该发明方法首先根据虚拟扩展孔径理论，合理布置发射阵列接收阵列，然后每个发射基阵发射正交波形，接收基阵接收多个正交波形叠加的目标回波信号，依据不同正交波形在变换域特征不同，在变换域内针对多组正交波形做接收阵波束形成，并且分别做逆变换域变换，最后在时域进行发射阵波束形成。该方法不需要采用匹配滤波进行正交波形信号分离，利用正交信号在变换域的特征不同，采用变换域接收波束形成，解决实际应用中正交时域波形高相关性造成的距离向高旁瓣，在提高角度分辨率的同时获得了距离向的高清晰度，整体改善了声纳图像质量。

具体实施例一：

在本实例中，系统参数：接收阵列为一维线阵，角度向波束宽度为1.5°，接收基阵的工作频率为60kHz，声速为1500m/s，作用距离为50m，信号采样率为300kHz。

1.计算过程：

假设接收阵列为一均匀直线阵列，相邻阵元间距为接收阵列工作频率的半波长，为了符合系统角度向波束宽度要求，根据公式可得，

则计算可得，实际接收阵列中的阵元个数设计为36个，接收基阵的两端布放两个发射基阵。

根据计算出的接收阵列参数，由图4仿真可知，扩展孔径之后系统的波束宽度约是实际接收阵列系统波束宽度的0.55，提高了角度向分辨率。

两个发射基阵，发射相互正交信号，信号波形分别为中心频率为55kHz正调频信号和中心频率为85kHz负调频信号，发射信号带宽均为3kHz，脉宽均为10ms。

接收阵列接收到目标回波信号，分析可知，两者发射信号在不同阶分数阶傅里叶变换域有不同的特性，首先回波信号进行-1.539阶分数阶傅里叶变换，可知，发射信号1在-1.539阶变换域内具有强分量，并进行接收波束形成得到变换域信号y1(u)，同时回波信号进行1.539阶分数阶傅里叶变换，可知，发射信号2在1.539阶变换域内具有强分量，并进行接收波束形成得到变换域信号y2(u)，避免了采用相关函数进行波形分离，导致距离向高旁瓣。

然后对变换域信号y1(u)和变换域信号y2(u)进行逆变换域变换，变换到时域信号分别为y1(t)和变换域信号y2(t)，之后再进行时延补偿进行发射波束形成。

最终获得距离向高清晰度和角度向高分辨率图像。

具体实施例二：

1.首先根据声纳系统指标要求，根据扩展孔径声纳的等效阵元相位中心原理，即一个发射阵元与一个接收阵元组成一个模块，此模块的相位中心位于两个阵元的几何中心，合理布置发射阵、接收阵的位置。若声纳接收阵列为一维阵列，则将两个发射阵布放在接收阵的两端，若声纳接收阵列为二维平面阵列，方位向和俯仰向都需要扩展，则在接收平面阵列的周围布放四个发射阵，分别如图1和图2所示。假设一均匀直线接收阵列，相邻阵元间距为半波长，阵元个数为M，阵列两端布置两个发射阵，则扩展孔径声纳的角度向波束宽度表示为

式中，BW为角度向的波束宽度，单位为弧度，λ为发射信号波长，d为相邻接收阵元间距，为波束偏置角，此方法，设定可知，扩展孔径声纳的波束宽度约是实际接收阵列孔径的0.55，则角度向分辨率约提高一倍。

假设一均匀二维平面接收阵列，相邻阵元间距为半波长，水平向阵元个数为L，俯仰向阵元个数为Q，四个发射阵列布置在接收面阵的四个角，则水平向波束宽度和俯仰向波束宽度为

其中，BWθ为水平向波束宽度，为俯仰向波束宽度，dθ为水平向相邻阵元间距，为俯仰向相邻阵元间距。

可知，平面阵列扩展之后，水平向波束宽度和俯仰向波束宽度分别是实际接收阵列的水平向波束宽度和俯仰向波束宽度的0.55，即水平向和俯仰向角度分辨率均提高一倍。

其中，图2中圆点布放接收阵元，平面的四个边角黑色阵元布放为发射阵。

2.按照布置的发射接收阵型，在发射基阵端，发射阵同时发射相互正交波形，实际中不存在完全正交的信号，设计发射信号在变换域中特征不同的信号，以一维接收阵列为例，两个发射阵，发射两个不同频率的正弦信号，且两个信号的频率响应曲线-3dB无重叠，即频率无交叉，则此两个发射信号的频率特征不同；又如在不同中心频率的正负调频信号，则两个发射信号在STFT时频域具有不同的特征，即可认为两个发射阵发射的为正交信号。

s1(t)＝cos(2πf1t+K1πt²)

s2(t)＝cos(2πf2t+K2πt²)

式中，s1(t)，s2(t)为两端的发射阵发射的正交信号，一个发射阵的发射中心频率为f1，频率变化率为K1，t为时间点，另外一个发射阵的发射中心频率为f2，频率变化率为K2，两个信号的中心频率不同，频率变化率不同。

3.接收阵接收目标的反射信号，即回波信号，回波信号中含有多个正交发射信号的目标反射信号的叠加，为了实现波形分离，结合发射正交信号在变换域不同的特征，对回波信号在变换域内分别进行接收波束形成处理，进行变换域滤波接收波束形成。

假设接收阵列为一维线阵，两个发射信号发射不同频率信号，两个信号在频域的特征不同，则分别在不同频率进行接收波束形成；若两个发射信号发射不同频率的上下调频信号，由于两类信号在不同阶分数阶傅里叶变换域具有不同的特征，根据分数阶傅里叶变化具有提取多分量chirp信号参数的能力，则采用分别在不同阶数分数阶傅里叶变换域进行接收波束形成处理。

分别对接收信号进行不同阶的分数阶傅里叶变换，即

式中，x(t)为接收的目标反射信号，为p1阶的分数阶傅里叶变换核函数，为x(t)对应的p1阶的分数阶傅里叶变换域函数，为p2阶的分数阶傅里叶变换核函数，为x(t)对应的p2阶的分数阶傅里叶变换域函数。

4.逆变换域变换，发射波束形成。对变换域接收波束形成处理之后的信号，进行逆变换域变换，变换到波束域时域信号，根据不同的发射阵对目标反射形成的时延差，在时域进行发射波束形成处理，即对不同发射阵形成的时延差用波束形成补偿，进而获取扩展孔径声纳的距离向角度向声图。

本发明的具体操作方法如下：

1.首先根据声纳系统指标要求，根据扩展孔径声纳的等效阵元相位中心原理，即一个发射阵元与一个接收阵元组成一个模块，此模块的相位中心位于两个阵元的几何中心，合理布置发射阵、接收阵的位置。若声纳接收阵列为一维阵列，则将两个发射阵布放在接收阵的两端，若声纳接收阵列为二维平面阵列，方位向和俯仰向都需要扩展，则在接收平面阵列的周围布放四个发射阵，分别如图1和图2所示。假设一均匀直线接收阵列，相邻阵元间距为半波长，阵元个数为M，阵列两端布置两个发射阵，则扩展孔径声纳的角度向波束宽度表示为

式中，BW为角度向的波束宽度，单位为弧度，λ为发射信号波长，d为相邻接收阵元间距，为波束偏置角，此方法，设定可知，扩展孔径声纳的波束宽度约是实际接收阵列孔径的0.55，则角度向分辨率约提高一倍。

假设一均匀二维平面接收阵列，相邻阵元间距为半波长，水平向阵元个数为L，俯仰向阵元个数为Q，四个发射阵列布置在接收面阵的四个角，则水平向波束宽度和俯仰向波束宽度为

可知，平面阵列扩展之后，水平向波束宽度和俯仰向波束宽度分别是实际接收阵列的水平向波束宽度和俯仰向波束宽度的0.55，即水平向和俯仰向角度分辨率均提高一倍。

其中，图2中圆点布放接收阵元，平面的四个边角黑色阵元布放为发射阵。

2.按照布置的发射接收阵型，在发射基阵端，发射阵同时发射相互正交波形，实际中不存在完全正交的信号，设计发射信号在变换域中特征不同的信号，以一维接收阵列为例，两个发射阵，发射两个不同频率的正弦信号，且两个信号的频率响应曲线-3dB无重叠，即频率无交叉，则此两个发射信号的频率特征不同；又如在不同中心频率的正负调频信号，则两个发射信号在STFT时频域具有不同的特征，即可认为两个发射阵发射的为正交信号。

s1(t)＝cos(2πf1t+K1πt²)

s2(t)＝cos(2πf2t+K2πt²)

式中，s1(t)，s2(t)为两端的发射阵发射的正交信号，一个发射阵的发射中心频率为f1，频率变化率为K1，t为时间点，另外一个发射阵的发射中心频率为f2，频率变化率为K2，两个信号的中心频率不同，频率变化率不同。

3.接收阵接收目标的反射信号，即回波信号，回波信号中含有多个正交发射信号的目标反射信号的叠加，为了实现波形分离，结合发射正交信号在变换域不同的特征，对回波信号在变换域内分别进行接收波束形成处理，进行变换域滤波接收波束形成。

假设接收阵列为一维线阵，两个发射信号发射不同频率信号，两个信号在频域的特征不同，则分别在不同频率进行接收波束形成；若两个发射信号发射不同频率的上下调频信号，由于两类信号在不同阶分数阶傅里叶变换域具有不同的特征，根据分数阶傅里叶变化具有提取多分量chirp信号参数的能力，则采用分别在不同阶数分数阶傅里叶变换域进行接收波束形成处理。

分别对接收信号进行不同阶的分数阶傅里叶变换，即

式中，x(t)为接收的目标反射信号，为p1阶的分数阶傅里叶变换核函数，为x(t)对应的p1阶的分数阶傅里叶变换域函数，为p2阶的分数阶傅里叶变换核函数，为x(t)对应的p2阶的分数阶傅里叶变换域函数。

4.对变换域接收波束形成处理之后的信号，进行逆变换域变换，变换到波束域时域信号，根据发射阵对目标反射形成的时延差，在时域进行发射端波束形成处理，进而获取扩展孔径声纳的距离向角度向声图。