一種擴(kuò)展的拖曳陣寬帶頻域逆波束形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水聲探測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種擴(kuò)展拖曳陣寬帶頻域逆波束形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著水下遠(yuǎn)程探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，線列陣越來越廣泛地應(yīng)用到水下目標(biāo)探測(cè)當(dāng)中， 拖曳陣及舷側(cè)陣的探測(cè)性能也受到關(guān)注。線列陣波束形成技術(shù)的分辨率和輸出信噪比都與 線陣的孔徑長(zhǎng)度及目標(biāo)的輻射頻率有著緊密聯(lián)系。提高線陣對(duì)低頻目標(biāo)的方位分辨率需增 加孔徑長(zhǎng)度，然而，在現(xiàn)實(shí)中不可能無限制地增加物理孔徑長(zhǎng)度來獲得高分辨率。因此合成 孔徑技術(shù)的出現(xiàn)有效的解決了孔徑不足的問題。
[0003] 隨著合成孔徑技術(shù)的發(fā)展，提出了多種被動(dòng)合成孔徑算法，包括Yen和Carey提出 的合成方法、Stergiopoulos和Sullivan提出的ETAM算法、Stergiopoulos和Urban提出 的快速傅里葉變換算法（FFTSA)以及一系列針對(duì)上述算法的改進(jìn)算法。Yen和Carey提出 的合成方法需要預(yù)先獲得接收陣和目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，這給該方法的實(shí)際應(yīng)用帶來很大 不便。FFTSA方法是針對(duì)上述問題進(jìn)行改進(jìn)的方法，該方法無需上述的先驗(yàn)知識(shí)，ETAM方法 也具有這樣的優(yōu)點(diǎn)。研究表明ETAM方法是經(jīng)典方法當(dāng)中最優(yōu)的處理方法。但該方法存在 低信噪比情況下性能急劇下降、多目標(biāo)檢測(cè)產(chǎn)生偏差的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的合成孔徑方法在低信噪比情況下性能急劇 下降、多目標(biāo)檢測(cè)產(chǎn)生偏差的問題，從而提供一種在低信噪比情況下仍然可以獲得較高的 方位分辨率，并對(duì)多目標(biāo)檢測(cè)有所改善的方法。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種擴(kuò)展的拖曳陣寬帶頻域逆波束形成方法， 包括：
[0006] 步驟1)、采用擴(kuò)展拖曳陣算法獲得被動(dòng)合成孔徑的時(shí)域信號(hào)；
[0007] 步驟2)、將步驟1)得到的合成孔徑的時(shí)域信號(hào)做傅里葉變換，得到某一時(shí)刻擴(kuò)展 拖曳陣中各個(gè)陣元的頻域快拍信號(hào)；
[0008] 步驟3)、根據(jù)步驟2)得到的頻域快拍信號(hào)，分多個(gè)頻點(diǎn)求各個(gè)頻點(diǎn)上的空間相關(guān) 函數(shù)；
[0009] 步驟4)、對(duì)步驟3)得到的各個(gè)頻點(diǎn)的空間相關(guān)函數(shù)進(jìn)行相位補(bǔ)償求和，得到各個(gè) 頻點(diǎn)的聲場(chǎng)指向性函數(shù)；
[0010] 步驟5)、由一頻點(diǎn)的聲場(chǎng)指向性函數(shù)得到該頻點(diǎn)的擴(kuò)展陣頻域?qū)拵娌ㄊ纬山Y(jié) 果，將所有頻點(diǎn)的擴(kuò)展陣頻域?qū)拵娌ㄊ纬山Y(jié)果進(jìn)行疊加，得到寬帶逆波束形成的結(jié)果。
[0011] 上述技術(shù)方案中，所述步驟3 )包括：
[0012] 步驟3-1)、由步驟2)得到的頻域快拍信號(hào)求取在一頻點(diǎn)下、合成孔徑中任意兩個(gè) 陣元的互相關(guān)矩陣：
[0013] 步驟3-2)、對(duì)步驟3-1)所得到的互相關(guān)矩陣進(jìn)行Toeplitz平均處理，得到該頻點(diǎn) 的空間相關(guān)函數(shù)。
[0014] 上述技術(shù)方案中，所述步驟5)包括：
[0015]步驟5-1)、對(duì)步驟4)得到的頻點(diǎn)的聲場(chǎng)指向性函數(shù)進(jìn)行離散化處理，得到頻點(diǎn)擴(kuò) 展陣頻域?qū)拵娌ㄊ纬山Y(jié)果；
[0016] 步驟5-2)、對(duì)所有頻點(diǎn)的擴(kuò)展陣頻域?qū)拵娌ㄊ纬山Y(jié)果進(jìn)行疊加，得到寬帶逆 波束形成的結(jié)果。
[0017] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0018] 1、本發(fā)明的方法在低信噪比情況下仍然可以獲得較高的方位分辨率，并對(duì)多目標(biāo) 檢測(cè)有所改善。
[0019] 2、本發(fā)明基于ETAM技術(shù)與寬帶頻域逆波束形成方法進(jìn)行了有效的結(jié)合，形成了 一種新型被動(dòng)合成孔徑技術(shù)。有效的提高了被動(dòng)合成孔徑技術(shù)的探測(cè)性能，克服了傳統(tǒng)的 ETAM技術(shù)在低信噪比下性能急劇下降的問題，與ETAM對(duì)比獲得了更高的方位分辨率，同時(shí) 對(duì)于多目標(biāo)和弱目標(biāo)檢測(cè)能力也更為優(yōu)異。
【附圖說明】
[0020] 圖1是擴(kuò)展拖曳陣算法的基本原理圖；
[0021] 圖2是聲信號(hào)入射的示意圖；
[0022] 圖3是SNR=OdB下，本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)方法的方位估計(jì)情況比較圖；
[0023] 圖4是SNR=_20dB下，本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)方法的方位估計(jì)情況比較圖；
[0024] 圖5是現(xiàn)有技術(shù)中的ETAM方法、時(shí)域平均ETAM與本發(fā)明方位在估計(jì)精度上的對(duì) 比圖；
[0025] 圖6是現(xiàn)有技術(shù)中的方法與本發(fā)明方法在多目標(biāo)方位估計(jì)（70、75度）上的比較 示意圖；
[0026] 圖7是現(xiàn)有技術(shù)中的方法與本發(fā)明方法在多目標(biāo)方位估計(jì)（70、72度）上的比較 示意圖；
[0027] 圖8是本發(fā)明方法在不同信噪比下的多目標(biāo)分辨率（70、75度）示意圖；
[0028] 圖9是現(xiàn)有技術(shù)中的方法與本發(fā)明方法的海試數(shù)據(jù)方位估計(jì)情況比較示意圖；
[0029] 圖10是現(xiàn)有技術(shù)中的ETAM方法、時(shí)域平均ETAM方法與本發(fā)明方法的方位歷程 圖；
[0030] 圖11是本發(fā)明方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0032] 本發(fā)明的擴(kuò)展拖曳陣寬帶頻域逆波束形成方法以現(xiàn)有技術(shù)中的擴(kuò)展拖曳陣算法 (ETAM)為基礎(chǔ)，利用該算法進(jìn)行孔徑擴(kuò)展獲得虛擬孔徑，然后通過逆波束形成方法進(jìn)行虛 擬孔徑的波束形成。與現(xiàn)有技術(shù)的ETAM相比，本發(fā)明有效地抑制了噪聲干擾，獲得更優(yōu)的 探測(cè)性能。
[0033] 為了便于理解，下面首先對(duì)ETAM進(jìn)行介紹。
[0034] 根據(jù)聲源信號(hào)時(shí)間、空間相關(guān)性的理論和試驗(yàn)研究表明，對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)的線列陣進(jìn) 行孔徑合成，低頻水聲信號(hào)的時(shí)空相關(guān)性是完全足夠的，即：陣接收信號(hào)的空間相關(guān)長(zhǎng)度大 于合成孔徑的積分長(zhǎng)度，相鄰兩次快拍中信號(hào)的時(shí)間相關(guān)長(zhǎng)度也能滿足相位補(bǔ)償因子的求 解要求。圖1為ETAM的基本原理圖，在相隔時(shí)間為T的兩個(gè)連續(xù)的快拍上，在對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行 空間采樣時(shí)，共有N_q對(duì)陣元有相同的空間位置(其中N表示拖曳陣的陣元數(shù)，q表示拖曳 陣在運(yùn)動(dòng)前后兩個(gè)時(shí)刻空間位置不重疊的陣元的個(gè)數(shù))，它們之間相差一個(gè)相位因子。對(duì)這 N_q對(duì)重疊陣元求互相關(guān)，就可以得到所需的相位修正因子，補(bǔ)償由于觀測(cè)時(shí)延以及聲場(chǎng)起 伏、拖曳陣的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)或聲源目標(biāo)的相對(duì)移動(dòng)引起的相位擾動(dòng)，這種方法稱為重疊相關(guān) 器，即擴(kuò)展拖曳陣（ETAM)被動(dòng)合成孔徑方法。
[0035] 重疊陣元的個(gè)數(shù)決定了相位修正因子的精確性，最優(yōu)重疊陣元數(shù)目是N/2。所以每 一次的ETAM合成孔徑可以獲得N/2個(gè)虛擬陣元。如果拖曳陣直線運(yùn)動(dòng)時(shí)間為T，可以進(jìn)行 孔徑合成的次數(shù)為
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種擴(kuò)展的拖曳陣寬帶頻域逆波束形成方法，包括： 步驟1)、采用擴(kuò)展拖曳陣算法獲得被動(dòng)合成孔徑的時(shí)域信號(hào)； 步驟2)、將步驟1)得到的被動(dòng)合成孔徑的時(shí)域信號(hào)做傅里葉變換，得到某一時(shí)刻擴(kuò)展 拖曳陣中各個(gè)陣元的頻域快拍信號(hào)； 步驟3)、根據(jù)步驟2)得到的頻域快拍信號(hào)，分多個(gè)頻點(diǎn)求各個(gè)頻點(diǎn)上的空間相關(guān)函 數(shù)； 步驟4)、對(duì)步驟3)得到的各個(gè)頻點(diǎn)的空間相關(guān)函數(shù)進(jìn)行相位補(bǔ)償求和，得到各個(gè)頻點(diǎn) 的聲場(chǎng)指向性函數(shù)； 步驟5)、由一頻點(diǎn)的聲場(chǎng)指向性函數(shù)得到該頻點(diǎn)的擴(kuò)展陣頻域?qū)拵娌ㄊ纬山Y(jié)果， 將所有頻點(diǎn)的擴(kuò)展陣頻域?qū)拵娌ㄊ纬山Y(jié)果進(jìn)行疊加，得到寬帶逆波束形成的結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展拖曳陣寬帶頻域逆波束形成方法，其特征在于，所述步 驟3)包括： 步驟3-1)、由步驟2)得到的頻域快拍信號(hào)求取在一頻點(diǎn)下、合成孔徑中任意兩個(gè)陣元 的互相關(guān)矩陣： 步驟3-2)、對(duì)步驟3-1)所得到的互相關(guān)矩陣進(jìn)行Toeplitz平均處理，得到該頻點(diǎn)的空 間相關(guān)函數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展拖曳陣寬帶頻域逆波束形成方法，其特征在于，所述步 驟5)包括： 步驟5-1)、對(duì)步驟4)得到的頻點(diǎn)的聲場(chǎng)指向性函數(shù)進(jìn)行離散化處理，得到頻點(diǎn)擴(kuò)展陣 頻域?qū)拵娌ㄊ纬山Y(jié)果； 步驟5-2)、對(duì)所有頻點(diǎn)的擴(kuò)展陣頻域?qū)拵娌ㄊ纬山Y(jié)果進(jìn)行疊加，得到寬帶逆波束 形成的結(jié)果。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種擴(kuò)展的拖曳陣寬帶頻域逆波束形成方法，包括：采用擴(kuò)展拖曳陣算法獲得被動(dòng)合成孔徑的時(shí)域信號(hào)；將被動(dòng)合成孔徑的時(shí)域信號(hào)做傅里葉變換，得到某一時(shí)刻擴(kuò)展拖曳陣中各個(gè)陣元的頻域快拍信號(hào)；根據(jù)頻域快拍信號(hào)，分多個(gè)頻點(diǎn)求各個(gè)頻點(diǎn)上的空間相關(guān)函數(shù)；對(duì)各個(gè)頻點(diǎn)的空間相關(guān)函數(shù)進(jìn)行相位補(bǔ)償求和，得到各個(gè)頻點(diǎn)的聲場(chǎng)指向性函數(shù)；由一頻點(diǎn)的聲場(chǎng)指向性函數(shù)得到該頻點(diǎn)的擴(kuò)展陣頻域?qū)拵娌ㄊ纬山Y(jié)果，將所有頻點(diǎn)的擴(kuò)展陣頻域?qū)拵娌ㄊ纬山Y(jié)果進(jìn)行疊加，得到寬帶逆波束形成的結(jié)果。
【IPC分類】G01S7-52
【公開號(hào)】CN104678376
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310625419
【發(fā)明人】王朋, 李崢, 黃勇, 劉紀(jì)元
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所
【公開日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2013年11月28日