一种分级子阵聚焦mvdr波束形成方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于声纳数字信号处理领域，特别涉及一种分级子阵聚焦MVDR(MinimumV arianceDistortionlessResponse，最小方差无失真响应算法）波束形成方法，可以应用于 各种线列阵声纳系统，实现快速高精度的波束形成。
【背景技术】
[0002] 受瑞利限的限制，对于小孔径基阵，采用传统的波达估计算法难以分辨方位上接 近的 2 个或多个目标。1969 年 Capon 在文献"High-resolution frequency-wavenumbersp ectrumanalysis"中提出的MVDR算法是一种在理论上具有高分辨性能的波达估计算法，但 是运算过程中会涉及到高维矩阵求逆，复杂度很高，而且算法对信噪比要求比较高，稳定性 也较差。为 了解决这些问题，Swingler. D. N 在文献"Alow-complexityMVDRbeamformerforu sewithshortobservationtimes"中提出一种连续不重叠不等长子阵波束形成方法，田彪等 在文献"多子阵高分辨实时波达估计算法研究"中提出了一种类似的基于均匀邻接子阵列 处理方法的MVDR算法，这些方法在降低计算量的同时还能保持MVDR算法的高分辨性能，实 时性较好。另外，通过子阵处理提高了单个阵元的信噪比，对信噪比的宽容性也更好。
[0003] 虽然子阵聚焦MVDR算法在一定程度上有效降低了运算复杂度，但是，距离一般声 纳系统所要求的实时性还有一定差距。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于，克服常规波束形成面临的分辨率有限，无法实现对目标的高精 度测向，以及MVDR等自适应高分辨波束形成方法面临的运算复杂度高、稳定性差的问题， 从而提出了一种分级子阵聚焦MVDR波束形成方法，以同时满足声纳系统波束形成在实时 性、高分辨能力和宽容性方面的需求。
[0005] 本发明考虑普通波束频域宽带波束形成方法在实时性和宽容性方面的巨大优势， 为了解决小孔径水平基阵高精度被动测向的问题，本发明提出了一种分级波束形成的思路 是：将普通快速频域宽带波束形成与子阵聚焦MVDR算法结合起来，由快速频域宽带波束形 成算法完成对目标方位粗测，再由子阵聚焦MVDR算法完成对目标方位的精测，从而提高整 个声纳定向系统的性能，同时满足实时性、高分辨和宽容性的需要。一种线列阵声纳装置， 可以是一条拖曳阵，也可以是舷侧阵，所述线列阵由多个水听器组成。这里设阵元数目N，阵 元间距d，目标入射方向Θ，阵元接收信号表示为 x(t)，信号频带范围为fmin~fmax;声速为 c，数据快拍长度为L。
[0006] 本发明的方法详细流程如附图1所示，首先对线列阵接收到的数据通过一次时域 FFT变换和空域相位补偿，完成快速宽带频域波束形成，由于普通波束形成分辨力有限，这 一步只是完成对目标方位的初步估计，可以将波束间隔设置的比较宽。然后，对普通波束形 成曲线进行峰值检测，发现目标后，对频域阵列信号进行子阵划分，只对目标附近的方位做 子阵聚焦MVDR波束形成，然后进行二次方位检测，得到更精确的目标方位。
[0007] 具体步骤描述如下：
[0008] 11)线列阵数据输入
[0009] 用线阵接收空间信号，得到M个阵元的时域信号，取L采样点长度的数据形成一个 数据快拍，作为数据输入。
[0010] X (t) = Lx^k) X2 (k) ··· xM(k)]T
[0011] 其中，xm(k) = [xm(l) xm(2)…Xm(L)]
[0012] 12)快速宽带频域波束形成
[0013] 对数据快拍X(t)在频带范围fmin~fmax内做快速频域宽带波束形成，具体过程如 下。
[0014] 首先对阵列信号x(t)的每一个阵元信号做时域FFT，截取fmin~f max范围的频域 信号表不如下：
[0015] X(D = Lx^f) x2(f) ··· xM(f)]T [0016]其中，Xni (f) = [Xni U …Xni (f；J ]
[0017] 对不同频率分量&构造导引矢量：
【主权项】
1. 一种分级子阵聚焦MVDR波束形成方法，该方法将普通快速频域宽带波束形成算法 与子阵聚焦MVDR算法结合起来，首先由快速频域宽带波束形成完成对目标方位粗测，再划 分子阵，最终由子阵聚焦MVDR算法完成对目标方位的精测，实现快速高精度的波束形成。
2. 根据权利要求1所述的分级子阵聚焦MVDR波束形成方法，其特征在于，所述方法包 括以下步骤： 1) 首先，对线列阵声纳装置接收到的数据通过一次时域FFT变换和空域相位补偿，完 成快速宽带频域波束形成，完成对目标方位的初步估计； 2) 然后，对普通波束形成曲线进行峰值检测，发现目标后，对频域阵列信号进行子阵划 分，并且只对目标附近的方位做子阵聚焦MVDR波束形成，进行二次方位检测，得到更精确 的目标方位。
3. 根据权利要求2所述的分级子阵聚焦MVDR波束形成方法，其特征在于，所述线列阵 声纳装置由多个水听器阵元组成，是一条拖曳阵或是舷侧阵；设水听器阵元数目N，阵元间 距d，目标入射方向Θ，阵元接收信号表示为X (t)，信号频带范围为fmin~fmax ;声速为c，数 据快拍长度为L。
4. 根据权利要求3所述的分级子阵聚焦MVDR波束形成方法，其特征在于，所述方法的 具体步骤如下： 11) 线列阵数据输入； 线列阵声纳装置接收空间信号，得到M个阵元的时域信号，取L采样点长度的数据形成 一个数据快拍，作为数据输入： X(t) = [X1 (k) x2(k) ··· xM(k)]T； 其中，xm(k) = [xm(l) xm(2)…xm(L)]; 12) 快速宽带频域波束形成； 对数据快拍X(t)在频带范围fmin~fmax内做快速频域宽带波束形成： 首先，对阵列信号X (t)的每一个阵元信号做时域FFT，截取fmin~fmax范围的频域信号 表示如下： X(f) = [xi(f) x2(f) *·· xM(f)]T； 其中，Xm(f) - [Xm (fmin)…Xm (fmax)]; 对不同频率分量fi构造导引矢量： 然后，进行相位补偿，得到各个频率分量的波束输出： y (f, Q1)= w(fi，Θ x)X(f)； 最后，将不同频率分量的各个波束输出进行平方相加得到波束图： PaA^) = y(fA)-ynf：A)
21) -次方位检测； 对于波束曲线Pcbf(Q1) (1 = 1，2，···，180° )进行方位检测，首先，对波束曲线进行峰 值检测，对每一个峰值计算检测系数DT :
其中，PraF(U表示目标峰值，EtPc^ed]表示波束曲线的均值，δ [Pcbf(Q1)]表示 波束曲线的起伏值； 假设检测到了 Q个目标，方位分别表示为eq(k= 1，2, ···，〇); 22)子阵聚焦MVDR波束形成； 对检测到的每个目标Θ q(k = 1，2,…，Q)，对其附近的方位做子阵聚焦MVDR波束形成： 将线列阵划分为N个子阵，每个子阵含有Ms个阵元，则有 ? 最后，一个子阵长度为 定义X' n(t)表示第η个子阵的时域阵列信号，则第η个子阵接收信号的频域矢量X' η 表示为： X " = +1(,) ; X 2(/);…；Χ?η_ηΜ，Μ;(/)]. 其中，Xm(f) = [XJf1) Xm(f2)…Xm(fK)]，K表示频率分量的数目； 对观测方向Θ，构造频点fk对应的子阵方向矢量为： ?(θ f) - [l e-J^fkd^ieVce-J27rJk (A/a-I}·^Cos(^)Zc jT 对各子阵频域阵列信号作波束方向相位补偿，得到子阵输出波束为： Υη(θ) = [YnAf1) Yn(0，f2)…Yn(0，fK)]; 其中，Yn(9，fk) =aH(0，fk)X'n(fk); 将Υη( θ )视为第η个虚拟阵元的阵元信号，则虚拟阵的阵列信号表示为： Υ(Θ) = [Υ"Θ) ; Υ2(θ);…；γΝ(θ)]; 按照平面波假设，以第一个子阵为基准，对每一个子阵进行延时聚焦： > | I | 备 _ c }2π I1(U-I)M Jcos(O) c "· (2π fk(n-\)M J ζο&(θ) cj ^ 这样，得到子阵聚焦对齐后虚拟阵的协方差矩阵估计为： R(的=士細)_々〃(的； M 其中，9(0=[夂(的；十2(0;…；Vw(0二 * 则Θ方向的输出功率谱估计为：
23)对子阵聚焦MVDR得到的波束曲线θ )进行二次方位检测，得到更精确的目 标方位Θ,'（k= 1，2, ···，〇)并输出。
5. 根据权利要求4所述的分级子阵聚焦MVDR波束形成方法，其特征在于，所述步骤 22)中，一般将线列阵划分成3~5个子阵。
6. 根据权利要求4所述的分级子阵聚焦MVDR波束形成方法，其特征在于，所述步骤 21) 中，一般取检测系数DT=6dB，这时检测概率为95. 4%。
7. 根据权利要求4所述的分级子阵聚焦MVDR波束形成方法，其特征在于，所述步骤 22) 中，对检测到的每个目标0q(k=l，2，~，Q)附近的方位做子阵聚焦MVDR波束形成，所 述的附近的方位取值为Θ Θ~Θ q+A Θ，Λ Θ取值范围为5~10。。
8. 根据权利要求4所述的分级子阵聚焦MVDR波束形成方法，其特征在于，所述步骤 23) 中的二次方位检测同一次方位检测的方法完全一致。
【专利摘要】本发明涉及一种分级子阵聚焦MVDR波束形成方法，该方法将普通快速频域宽带波束形成算法与子阵聚焦MVDR算法结合起来，首先由快速频域宽带波束形成完成对目标方位粗测，再划分子阵，最终由子阵聚焦MVDR算法完成对目标方位的精测，实现快速高精度的波束形成；包括：1）首先，对线列阵声纳装置接收到的数据通过一次时域FFT变换和空域相位补偿，完成快速宽带频域波束形成，完成对目标方位的初步估计；2）然后，对普通波束形成曲线进行峰值检测，发现目标后，对频域阵列信号进行子阵划分，并且只对目标附近的方位做子阵聚焦MVDR波束形成，进行二次方位检测，得到更精确的目标方位。本发明提高了整个声纳定向系统的性能，同时满足实时性、高分辨和宽容性的需要。
【IPC分类】G01S7-539
【公开号】CN104730513
【申请号】CN201310706004
【发明人】李峥, 黄海宁
【申请人】中国科学院声学研究所
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2013年12月19日