本申請涉及水下通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-output，MIMO)聲吶系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

上世紀(jì)90年代，無線通信領(lǐng)域?yàn)榱丝朔ㄐ判诺浪ヂ涞膯栴}，提出了MIMO通信，利用了無線信道的散射實(shí)現(xiàn)了高速無線通信，利用分集接受的思想為高分辨率識(shí)別、高概率檢測、高穩(wěn)健性探測提供了一種新的思路。雷達(dá)領(lǐng)域的研究人員將MIMO概念引入雷達(dá)中。隨著MIMO雷達(dá)的發(fā)展，在聲吶領(lǐng)域也開展了MIMO探測的研究。

過去十多年來，MIMO的概念如火如荼，但水下聲信道具有復(fù)雜的時(shí)空頻特性及隨機(jī)起伏性，聲傳播條件遠(yuǎn)比無線通信信道惡劣，聲吶系統(tǒng)與通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)也有很大的區(qū)別，可以說分布式聲吶的概念和優(yōu)勢尚待商榷，離實(shí)用還有很長的路要走。而密集式MIMO聲吶源于相控陣發(fā)射接收，與現(xiàn)行系統(tǒng)的中的密集多波束、匹配濾波等處理相呼應(yīng)，更具有實(shí)用價(jià)值。

現(xiàn)有技術(shù)中，疊加發(fā)射波束形成的主動(dòng)聲吶具有發(fā)射陣增益，因此可以增大發(fā)射功率，并實(shí)現(xiàn)指向性。分布式MIMO聲吶應(yīng)用場景較為局限。而密集式MIMO聲納參照MIMO雷達(dá)，各陣元發(fā)射正交波形。

密集式MIMO又稱為集中式MIMO。圖1為密集式MIMO聲吶或雷達(dá)的示意圖，由圖1所示，發(fā)射陣列和接收陣列分別都是緊密布放的陣列，可以置于一處復(fù)用(收發(fā)合置)的單基地，也可以是收發(fā)分置的雙基地。滿足遠(yuǎn)場點(diǎn)目標(biāo)的假設(shè)，則對于發(fā)射陣的各陣元發(fā)射角度可認(rèn)為均為θ_t，對于接收陣的所有陣元入射角均為θ_r。發(fā)射陣發(fā)射的N_t個(gè)波形相互正交，可通過在接收陣匹配濾波分離正交信號(hào)，相當(dāng)于N_tN_r個(gè)虛擬陣元的陣列。由此可以增大的虛擬孔徑，增加系統(tǒng)的自由度，改善目標(biāo)探測和參數(shù)估計(jì)性能。對于MIMO雷達(dá)而言，各發(fā)射陣元發(fā)射不同的波形使得輻射功率較低，會(huì)降低敵方雷達(dá)對己方的截獲率，從而提高己方安全性。對于MIMO聲吶而言，假如各陣元發(fā)射不同波形，則無法獲得發(fā)射陣增益和指向性，聲吶作用距離大大下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中的MIMO聲吶系統(tǒng)中波形分集沒有陣增益、作用距離短的缺陷，提供一種基于子陣波形分集的MIMO聲吶系統(tǒng)，具體涉及一種密集型的MIMO聲吶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的波形設(shè)計(jì)方法，通過子陣劃分實(shí)現(xiàn)波形分集，獲取發(fā)射陣增益。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種MIMO聲吶系統(tǒng)，包括發(fā)射端和接收端，其中，所述發(fā)射端的發(fā)射陣劃分多個(gè)子陣，每個(gè)子陣包含多個(gè)陣元；所述每個(gè)子陣的各個(gè)陣元發(fā)射同一種波形，各子陣發(fā)射不同波形，由此構(gòu)成波形分集；所述同一子陣中，各陣元通過加權(quán)調(diào)整相位，實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束形成，獲取發(fā)射陣增益；

所述接收端的接收陣對每一個(gè)接收陣元接收的回波信號(hào)進(jìn)行匹配，根據(jù)匹配結(jié)果進(jìn)行方位估計(jì)，獲取各陣元的入射角DOA。

優(yōu)選地，所述各子陣發(fā)射的波形形成正交波形。

優(yōu)選地，所述發(fā)射端以單頻波為載波，以及采用零均值序列作為編碼。

優(yōu)選地，所述發(fā)射端的發(fā)射陣發(fā)出的信號(hào)矩陣為X＝ωS，其中，ω＝[ω₁，...，ω_P]，ω是K×P的矩陣，P為子陣個(gè)數(shù)，每個(gè)子陣有K個(gè)陣元。

優(yōu)選地，所述接收端具體用于，用發(fā)射波形對每一個(gè)接收陣元接收的回波信號(hào)進(jìn)行匹配，獲得統(tǒng)計(jì)矩陣；

將所述統(tǒng)計(jì)矩陣轉(zhuǎn)換為向量形式；

根據(jù)所述向量形式進(jìn)方位估計(jì)，獲取各陣元的入射角DOA。

優(yōu)選地，所述發(fā)射端各陣元的離程角DOD相等，接收端各陣元的入射角DOA也相等。

優(yōu)選地，所述發(fā)射端的發(fā)射陣為間距均勻線形陣，所述陣元間距均為半波長；每個(gè)子陣發(fā)出一種編碼的BPSK信號(hào)，且所述子陣各陣元間疊加不同相位實(shí)現(xiàn)指向性。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

本發(fā)明通過子陣劃分，各子陣發(fā)射不同波形從而實(shí)現(xiàn)波形分集；在同一子陣中，通過加權(quán)調(diào)整相位，實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束形成，獲取發(fā)射陣增益。即，本發(fā)明通過子陣劃分的方法來實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束形成，每個(gè)陣元僅輸出一種波形，避免了多種波形疊加的復(fù)雜處理，而硬件上僅需在現(xiàn)有聲吶系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)系統(tǒng)上稍作調(diào)整即可。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡要地介紹。顯而易見地，下面附圖中反映的僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得本發(fā)明的其他實(shí)施例。而所有這些實(shí)施例或?qū)嵤┓绞蕉荚诒景l(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

圖1為密集式MIMO聲吶或雷達(dá)的示意圖；

圖2為基于子陣劃分的MIMO聲吶或雷達(dá)的示意圖；

圖3為16元的線性陣的子陣發(fā)射波束形成示意圖。

具體實(shí)施方式

下面通過附圖和具體的實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明，但應(yīng)當(dāng)理解為這些實(shí)施例僅僅是用于更詳細(xì)說明之用，而不應(yīng)理解為用以任何形式限制本發(fā)明，即并不意于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種基于子陣劃分的MIMO聲吶系統(tǒng)，包括發(fā)射端和接收端。圖2為基于子陣劃分的MIMO聲吶或雷達(dá)的示意圖，由圖2所示，發(fā)射端的發(fā)射陣通過子陣劃分，每個(gè)子陣的陣元發(fā)射同一中波形，各子陣發(fā)射不同波形，由此實(shí)現(xiàn)波形分集，此外，在同一子陣中，通過加權(quán)調(diào)整相位，實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束形成，獲取發(fā)射陣增益；接收端的接收陣對每一個(gè)接收陣元接收的回波信號(hào)進(jìn)行匹配，根據(jù)匹配結(jié)果進(jìn)行方位估計(jì)，獲取各陣元的入射角DOA。下面針對發(fā)射端的發(fā)射陣和接收端的接收陣進(jìn)行詳細(xì)的介紹，具體為發(fā)射端子陣的劃分和接收端的匹配方面：

一、發(fā)射陣劃分子陣

步驟101，發(fā)射陣共劃分N_t個(gè)陣元，分為P個(gè)子陣，每個(gè)子陣有K個(gè)陣元，N_t＝PK。

步驟102，發(fā)射陣中的每個(gè)子陣的各個(gè)陣元發(fā)射同一中波形，各子陣發(fā)射不同波形，由此構(gòu)成波形分集。

具體地，以子陣1為例，發(fā)射波形1，陣元1～陣元K疊加不同的系數(shù)ω₁～ω_K，形成相位延遲。加權(quán)向量ω₁＝[ω₁，...，ω_K]^T，指向方向θ₁。同樣地，陣元K+1～陣元2K，加權(quán)向量ω₂＝[ω_K+1，...，ω_2K]^T，指向方向θ₂。P個(gè)子陣可以指向P個(gè)方向，所以可同時(shí)完成P個(gè)方向的多波束，快速掃描搜索目標(biāo)方位。

步驟103，發(fā)射端正交波形設(shè)計(jì)。

s＝[s₁，...，s_P]^T，為P個(gè)子陣分別發(fā)射的波形。因此，對于M個(gè)快拍，可得到波形矩陣S＝[s(1)，s(2)，...，s(M)]。優(yōu)選地，各子陣發(fā)射的波形形成正交波形，即理想情況下，S應(yīng)該是正交矩陣，有：

SS^H＝αI_P (1)

其中，P為子陣個(gè)數(shù)，每個(gè)子陣有K個(gè)陣元，^H代表共軛轉(zhuǎn)置操作，^T代表矩陣或向量的轉(zhuǎn)置操作，α代表發(fā)射波形的功率，I_P代表P×P的單位矩陣。

結(jié)合實(shí)際發(fā)射端發(fā)射機(jī)和接收端接收機(jī)硬件情況，發(fā)射端只能是正交編碼調(diào)制的，具體采用零均值序列作為編碼，載波為原有發(fā)射機(jī)的單頻波。

具體地，包括以下步驟：

步驟103-1，生成P個(gè)零相關(guān)區(qū)(zero correlation zone，ZCZ)序列或其他偽隨機(jī)編碼序列。

步驟103-2，通過占空比調(diào)節(jié)方法產(chǎn)生頻率為f₀的單頻波。

步驟103-3，根據(jù)編碼序列調(diào)節(jié)相位0和π，各子陣輸出不同的二進(jìn)制絕對相移調(diào)制(Binary Phase Shift Keying，BPSK)信號(hào)。

步驟104，通過相控構(gòu)成發(fā)射波束形成，實(shí)現(xiàn)指向性。

具體地，在發(fā)射端調(diào)節(jié)加權(quán)向量矩陣ω可實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束形成，使發(fā)射能量集中在觀測范圍內(nèi)，獲得感興趣方向的發(fā)射陣增益。發(fā)射陣發(fā)出的信號(hào)矩陣應(yīng)該為：

X＝ωS (2)

其中，ω＝[ω₁，...，ω_P]，ω是K×P的矩陣，P為子陣個(gè)數(shù)，每個(gè)子陣有K個(gè)陣元。

二、接收端匹配

聲吶系統(tǒng)的發(fā)射端的發(fā)射陣通過子陣劃分，同時(shí)各子陣發(fā)射不同波形，實(shí)現(xiàn)了波形分集；在同一子陣中，又通過加權(quán)調(diào)整相位，實(shí)現(xiàn)發(fā)射波速形成，獲取發(fā)射陣的增益。聲吶系統(tǒng)的接收端與發(fā)射端相匹配，才能完成目標(biāo)方位的探測和參數(shù)估計(jì)性能。具體包括以下步驟：

步驟201，接收陣接收到的數(shù)據(jù)為：

$r={\mathrm{\γa}}_r\left({\mathrm{\θ}}_r\right)a_t^T\left({\mathrm{\θ}}_f\right)X+E={\mathrm{\γa}}_r\left({\mathrm{\θ}}_r\right)a_t^T\left({\mathrm{\θ}}_t\right)wS+E---\left(3\right)$

a_r和a_t分別為接收陣和發(fā)射陣的方向向量，θ_r和θ_t分別為目標(biāo)的入射角(DOA)和離程角(DOD)，目標(biāo)滿足遠(yuǎn)場假設(shè)，所以發(fā)射陣各陣元的DOD相等，接收陣各陣元的DOA也相等。τ_i(θ_r)和τ_j(θ_t)分別表示信號(hào)從第i個(gè)發(fā)射天線到達(dá)目標(biāo)的時(shí)延和從目標(biāo)到達(dá)第j個(gè)接收天線的時(shí)延；γ為傳播過程中的散射系數(shù)，取決于海洋聲傳播信道；E為N_r×M維回波噪聲矩陣，為簡化，假設(shè)為0均值、方差σ²的高斯白噪聲；^T代表矩陣或向量的轉(zhuǎn)置操作。

步驟202，在接收陣用發(fā)射波形s＝[s₁，...，s_P]^T對每一個(gè)接收陣元接收的回波信號(hào)進(jìn)行匹配，得充分統(tǒng)計(jì)矩陣：

Y＝rS^H (4)

其中，^H代表共軛轉(zhuǎn)置操作，^T代表矩陣或向量的轉(zhuǎn)置操作，γ為傳播過程中的散射系數(shù)，取決于海洋聲傳播信道。

將(4)式轉(zhuǎn)換為向量形式：

y_mf＝υec(Y^T)＝υec(conj(S)r^T) (5)

其中，^T代表矩陣或向量的轉(zhuǎn)置操作。

步驟203，在接收端進(jìn)行方位估計(jì)等后續(xù)處理，估計(jì)得到DOA等參數(shù)。

下面結(jié)合一個(gè)具體實(shí)施例，來對發(fā)射端的發(fā)射波束形成進(jìn)行進(jìn)一步的說明。

以均勻線陣為例，圖3是16元線性陣的子陣發(fā)射波束形成示意圖，由圖3所示，發(fā)射陣和接收陣均為16元等間距均勻線形陣。陣元間距均為半波長，發(fā)射陣劃分為4個(gè)子陣，每個(gè)子陣發(fā)出一種編碼的BPSK信號(hào)，并且在子陣各陣元間疊加不同相位實(shí)現(xiàn)指向性。子陣1～4各指向φ₁～φ₄。

$a_r={\[1,e^{j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{sin\θ}}_r},\mathrm{...},e^{j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}(N_r-1){\mathrm{sin\θ}}_r}\]}^T={\[1,e^{{\mathrm{j\πsin\θ}}_r},\mathrm{...},e^{j15{\mathrm{\πsin\θ}}_r}\]}^T.$

$w_1={\[1,e^{{\mathrm{j\πsin\φ}}_1},e^{j2{\mathrm{\πsin\φ}}_1},e^{j3{\mathrm{\πsin\φ}}_1}\]}^T,w_2={\[1,e^{{\mathrm{j\πsin\φ}}_2},e^{j2{\mathrm{\πsin\φ}}_2},e^{j3{\mathrm{\πsin\φ}}_2}\]}^T,$

$w_3={\[1,e^{{\mathrm{j\πsin\φ}}_3},e^{j2{\mathrm{\πsin\φ}}_3},e^{j3{\mathrm{\πsin\φ}}_3}\]}^T,w_4={\[1,e^{{\mathrm{j\πsin\φ}}_4},e^{j2{\mathrm{\πsin\φ}}_4},e^{j3{\mathrm{\πsin\φ}}_4}\]}^T.$

即發(fā)射端調(diào)節(jié)加權(quán)向量矩陣實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束形成，使發(fā)射能量集中在觀測范圍內(nèi)，獲得感興趣方向φ₁～φ₄的發(fā)射陣增益。

接收端作出相應(yīng)匹配，即接收陣用發(fā)射波形對每一個(gè)接收陣元接收的回波信號(hào)進(jìn)行匹配，獲得統(tǒng)計(jì)矩陣；再轉(zhuǎn)換為向量形式；然后根據(jù)向量形式進(jìn)方位估計(jì)等后續(xù)處理，獲取各陣元的入射角DOA。

在本發(fā)明實(shí)施例中，發(fā)射端通過子陣劃分，各子陣發(fā)射不同波形，從而實(shí)現(xiàn)波形分集；在同一子陣中，通過加權(quán)調(diào)整相位，實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束形成，獲取發(fā)射陣增益。即，本發(fā)明通過子陣劃分的方法來實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束形成，每個(gè)陣元僅輸出一種波形，避免了多種波形疊加的復(fù)雜處理，而硬件上僅需在現(xiàn)有聲吶系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)系統(tǒng)上稍作調(diào)整即可，同時(shí)接收端作出相應(yīng)匹配，即可完成方位估計(jì)等后續(xù)處理。

專業(yè)人員應(yīng)該還可以進(jìn)一步意識(shí)到，結(jié)合本文中所公開的實(shí)施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬件、計(jì)算機(jī)軟件或者二者的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)，為了清楚地說明硬件和軟件的可互換性，在上述說明中已經(jīng)按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來執(zhí)行，取決于技術(shù)方案的特定應(yīng)用和設(shè)計(jì)約束條件。專業(yè)技術(shù)人員可以對每個(gè)特定的應(yīng)用來使用不同方法來實(shí)現(xiàn)所描述的功能，但是這種實(shí)現(xiàn)不應(yīng)認(rèn)為超出本發(fā)明的范圍。

結(jié)合本文中所公開的實(shí)施例描述的方法或算法的步驟可以用硬件、處理器執(zhí)行的軟件模塊，或者二者的結(jié)合來實(shí)施。軟件模塊可以置于隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)、內(nèi)存、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、電可編程ROM、電可擦除可編程ROM、寄存器、硬盤、可移動(dòng)磁盤、CD-ROM、或技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)所公知的任意其它形式的存儲(chǔ)介質(zhì)中。

以上所述的具體實(shí)施方式，對本申請的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本申請的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本申請的保護(hù)范圍，凡在本申請的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請的保護(hù)范圍之內(nèi)。