一种适用于无人移动平台检测舰艇线谱的波束形成方法与流程

本发明属于信号处理领域，具体涉及一种适用于无人移动平台检测舰艇线谱的波束形成方法。

背景技术：

本文以无人移动平台利用水下目标辐射噪声中的声线谱信号进行目标被动探测为研究背景。目前，比较方便、有效的方法为多波束低频线谱记录与分析历程图，即multiplebeamlowfrequencyanalysisrecordingspectrogram，简记为multi-beamlofargram，其采用预成多波束的方式来获取各方位的时域信号输出，由各方向上的时域输出结果中分析、提取线谱信号。上述预成多波束方法在有人声呐被动探测系统中应用广泛，由声呐员辅助判决实现线谱目标的被动探测。而将上述方法应用到无人移动平台则存在方位-频率-时间多维信息融合困难等问题，特别是目标方位快速变化时，目标线谱在多个波束输出间交替显现，不利于目标线谱的自主分析及提取。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适用于无人移动平台检测舰艇线谱的波束形成方法，解决多波束低频线谱记录与分析历程图线谱检测方法在无人声呐系统中应用所存在的多维信息融合困难等问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种适用于无人移动平台检测舰艇线谱的波束形成方法，包括以下步骤：

(1)设定基本参数，所述基本参数包括：采样率、抽头延迟线的抽头个数、均匀线列阵的阵元个数、自适应步长、解相干时间，感兴趣子空间；

(2)计算时域宽带波束形成器的输出，即将阵元接收信号经过多路抽头延迟线滤波处理得到时域宽带波束形成器的输出；

(3)获取目标线谱参考信号，即对阵元接收信号进行解相干时间延迟、多路抽头延迟线滤波处理，得到一个非外部的目标线谱参考信号；

(4)自适应调节时域宽带波束形成器的权矢量，即以最小化步骤(3)中目标线谱参考信号与步骤(2)中时域宽带波束形成器输出的最小均方误差为准则，对步骤(2)中多路抽头延迟线的权矢量进行更新；

(5)重新从步骤(2)开始执行。

所述步骤(2)中计算时域宽带波束形成器的输出具体过程为：

设阵元接收信号为x(n)＝[x0(n),…,xm-1(n),x0(n-1),…,xm-1(n-1),…,xm-1(n-l+1)]^t，其中xm(n)为n时刻第m号阵元接收信号,m为均匀线列阵的阵元个数，l为抽头延迟线的抽头个数，t为数学符号向量转置，阵元接收信号x(n)经过多路抽头延迟线滤波处理得到时域宽带波束形成器输出，该过程的数学表达式为：

y(n)＝w^h(n)x(n)

其中w(n)＝[w0,0(n),…,w0,m-1(n),w1,0(n),…,w1,m-1(n),…,wl-1,m-1(n)]^t为步骤(2)中多路抽头延迟线的权矢量，wl,m(n)为n时刻第m号阵元后抽头延迟线的第l抽头的权值，y(n)为时域宽带波束形成器的输出。

所述步骤(3)中目标线谱参考信号的获取具体过程为：

将阵元接收信号x(n)经过时间延迟解相干、多路抽头延迟线滤波得到目标线谱参考信号，该过程的数学表达式为：

其中wq＝[wq_0,0,…,wq_0,m-1,wq_1,0,…,wq_1,m-1,…,wq_l-1,m-1]^t为步骤(3)中所述多路抽头延迟线的权矢量，wq_l,m为第m路抽头延迟线的第l抽头的权值，δ为解相干时间，d(n)为目标线谱参考信号，wq为固定的权矢量，由凸优化工具求解下式凸优化表达式得到：

其中minmax||表示使||中表达式的绝对值最大值最小化，||表示取绝对值，||||表示取向量的2范数，s.t.需满足的约束条件如下，表示任意取值，δθ表示恒定束宽约束系数，f0表示恒定束宽约束中的参考频率点，为阻带约束系数，δnorm为稳健性约束系数，θ为感兴趣子空间，θθ为空间θ内的各方位角，为非感兴趣子空间，为空间内的各方位角，ω为系统工作带宽，fω为带宽ω内的各频率点，a(f,θ)为lm×1维导向矢量，写为：

al,m＝cos(2πfl/fs+2πfsin(θ)dm/c)，l＝0,1,...,l-1,m＝0,1,...,m-1

其中c为水中声速，d为均匀线列阵的阵元间距，fs为采样率，f和θ为参数变量，在fω、f0和θθ中选取。

所述步骤(4)中时域宽带波束形成器的权矢量自适应调节具体过程为：

步骤(3)中目标线谱参考信号d(n)与步骤(2)中时域宽带波束形成器输出y(n)的最小均方误差为：

ξ(w(n))＝e{|d(n)-y(n)|²}＝e{|d(n)-w^t(n)x(n)|²}

其中e{}表示求取信号期望，ξ(w(n))表示d(n)与y(n)的最小均方误差，以最小化ξ(w(n))为准则，得到权矢量w(n)的自适应调节公式：

w(n+1)＝w(n)+με(n)x(n)

其中ε(n)＝d(n)-y(n)表示自适应过程的残差，μ为自适应步长，通过计算上式来更新下一时刻的权矢量w(n+1)。

本发明的有益效果在于：

在线谱目标方位、线谱频率、目标运动状态等先验信息缺失的情况下，本发明所提波束形成方法能够自适应地将主波束方向指向线谱目标方位，通过对自导向波束的输出进行线谱自主检测即可实现对舰船目标的检测，因此无需预成多个波束，简化了基于无人移动平台检测舰船线谱的复杂程度。

附图说明

图1为所提波束形成方法原理框图；

图2为多波束低频线谱记录与分析历程图；

图3为图2中100°方位波束输出的低频线谱记录与分析历程图；

图4为所提波束形成方法的输出。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细描述。

一种适用于无人移动平台检测舰艇线谱的波束形成方法，包括以下步骤：

(1)设定基本参数，所述基本参数包括：采样率、抽头延迟线的抽头个数、均匀线列阵的阵元个数、自适应步长、解相干时间，感兴趣子空间；

(2)计算时域宽带波束形成器的输出，即将阵元接收信号经过多路抽头延迟线滤波处理得到时域宽带波束形成器的输出；

(3)获取目标线谱参考信号，即对阵元接收信号进行解相干时间延迟、多路抽头延迟线滤波处理，得到一个非外部的目标线谱参考信号；

(4)自适应调节时域宽带波束形成器的权矢量，即以最小化步骤(3)中目标线谱参考信号与步骤(2)中时域宽带波束形成器输出的最小均方误差为准则，对步骤(2)中多路抽头延迟线的权矢量进行更新；

(5)重新从步骤(2)开始执行。

所述步骤(2)中计算时域宽带波束形成器的输出具体过程为：

设阵元接收信号为x(n)＝[x0(n),…,xm-1(n),x0(n-1),…,xm-1(n-1),…,xm-1(n-l+1)]^t，其中xm(n)为n时刻第m号阵元接收信号,m为均匀线列阵的阵元个数，l为抽头延迟线的抽头个数，t为数学符号向量转置，阵元接收信号x(n)经过多路抽头延迟线滤波处理得到时域宽带波束形成器输出，该过程的数学表达式为：

y(n)＝w^h(n)x(n)

其中w(n)＝[w0,0(n),…,w0,m-1(n),w1,0(n),…,w1,m-1(n),…,wl-1,m-1(n)]^t为步骤(2)中多路抽头延迟线的权矢量，wl,m(n)为n时刻第m号阵元后抽头延迟线的第l抽头的权值，y(n)为时域宽带波束形成器的输出。多路抽头延迟线即tappeddelayline，简称tdl，其结构为图1中所示tdls部分。

所述步骤(3)中目标线谱参考信号的获取具体过程为：

如图1所示，将阵元接收信号x(n)经过时间δ延迟解相干、多路抽头延迟线tdls滤除非感兴趣区间内的线谱干扰，得到目标线谱参考信号，该过程的数学表达式为：

其中wq＝[wq_0,0,…,wq_0,m-1,wq_1,0,…,wq_1,m-1,…,wq_l-1,m-1]^t为步骤(3)中所述多路抽头延迟线的权矢量，wq_l,m为第m路抽头延迟线的第l抽头的权值，δ为解相干时间，d(n)为目标线谱参考信号。其中wq为固定的权矢量，由凸优化工具求解下式凸优化表达式得到；

其中minmax||表示使||中表达式的绝对值最大值最小化，||表示取绝对值，||||表示取向量的2范数，s.t.需满足的约束条件如下，表示任意取值。δθ表示恒定束宽约束系数，f0表示恒定束宽约束中的参考频率点。为阻带约束系数，δnorm为稳健性约束系数。θ为感兴趣子空间，θθ为空间θ内的各方位角。为非感兴趣子空间，为空间内的各方位角。ω为系统工作带宽，fω为带宽ω内的各频率点。a(f,θ)为lm×1维导向矢量，写为：

al,m＝cos(2πfl/fs+2πfsin(θ)dm/c)，l＝0,1,...,l-1,m＝0,1,...,m-1

其中c为水中声速，d为均匀线列阵的阵元间距，fs为采样率。f和θ为参数变量，在fω，f0，θθ中选取。上述固定的权矢量wq设计保证感兴趣空间θ内的信号近似无失真通过，而非感兴趣子空间内的信号被抑制。

所述步骤(4)中时域宽带波束形成器的权矢量自适应调节具体过程为：

步骤(3)中目标线谱参考信号d(n)与步骤(2)中时域宽带波束形成器输出y(n)的最小均方误差为：

ξ(w(n))＝e{|d(n)-y(n)|²}＝e{|d(n)-w^t(n)x(n)|²}

其中e{}表示求取信号期望。ξ(w(n))表示d(n)与y(n)的最小均方误差。以最小化ξ(w(n))为准则，得到权矢量w(n)的自适应调节公式

w(n+1)＝w(n)+με(n)x(n)

其中ε(n)＝d(n)-y(n)表示自适应过程的残差，μ为自适应步长。通过计算上式来更新下一时刻的权矢量w(n+1)。上述权矢量自适应调节过程如图1所示。

实施例一：

(1)设定基本参数，所述基本参数包括：采样率、抽头延迟线的抽头个数、均匀线列阵的阵元个数、自适应步长、解相干时间，感兴趣子空间；

采样率：fs＝2.5khz；抽头延迟线的抽头个数：l＝30；均匀线列阵的阵元个数：m＝20；自适应步长：μ＝0.01；解相干时间：δ＝0.1s；感兴趣子空间：θ＝50～130°。

(2)计算时域宽带波束形成器的输出，即将阵元接收信号经过多路抽头延迟线滤波处理得到时域宽带波束形成器的输出；

(3)目标线谱参考信号的获取，即对阵元接收信号进行解相干时间延迟、多路抽头延迟线滤波处理，得到一个非外部的目标线谱参考信号；

(4)时域宽带波束形成器的权矢量自适应调节，即以最小化步骤(3)中目标线谱参考信号与步骤(2)中时域宽带波束形成器输出的最小均方误差为准则，对步骤(2)中多路抽头延迟线的权矢量进行更新；

(5)重新从步骤(2)开始执行。

图2～图4给出了线谱目标含有495hz、475hz、415hz三根线谱，各线谱信噪比为-20db。线谱目标在感兴趣子空间θ内由70°方位快速变化到120°方位。160°方位存在线谱干扰，线谱频率为360hz、440hz，干噪比为5db情况下的多波束低频线谱记录与分析历程图及本文所提波束形成方法的输出结果。图2为多波束低频线谱记录与分析历程图，由于目标方位的快速变化，目标线谱依次在各波束输出中短时显现，不便于直接进行线谱自主检测。图3为图2中100°方位波束输出的低频线谱记录与分析历程图，由图中可清晰地观测到短时显现的目标线谱。图4为所提波束形成方法的输出，由图中可看出在整个观测时间内目标线谱持续显现，使进一步的线谱自主检测更高效、便捷。从而降低了基于无人移动平台检测舰船线谱的复杂程度。