一種快速寬帶頻域擴展拖曳陣波束形成方法

專利名稱：一種快速寬帶頻域擴展拖曳陣波束形成方法
技術領域：
本發明屬于聲納數字信號處理領域，特別涉及一種快速寬帶頻域擴展拖曳陣波束形成方法。

背景技術：
被動合成孔徑(PASA)是一種被動接收目標噪聲、通過陣列的運動和信號處理方法人工增加小孔徑陣列長度的技術，可以使人們依靠短陣的機動獲得長陣的各種好處。如今，被動聲納已經廣泛使用在眾多海軍系統中，如拖曳陣、舷側陣、魚類聲納以及海底線列陣等，主要用來定位、檢測、分類，或者對目標進行跟蹤。近幾年來，隨著人們對被動合成孔徑的關注程度逐漸提高，其性能被不斷加強。
現有的定位主要通過波束形成來實現，它利用目標信號到達不同陣元傳感器的時間差，通過相位補償融合了每個傳感器的接收信號，以提高輸出信號的信噪比來估計平面波信號的波達方向。實際上，目標輻射信號一般都是寬帶信號，常規做法首先將陣列信號進行時域FFT變換，然后針對每個頻點的響應做單頻點波束形成，最后將所有頻點的波束結果融合在一起，得到最終波束輸出。
對于常規波束形成，輸出信噪比、方位分辨率以及聲納作用距離隨著陣長度的增加而增大。但實際上，受平臺機動以及各種因素限制，線列陣不能設計的太長，從而制約了聲納的方位分辨率和作用距離。
隨著計算性能的增加，通過處理陣列在空間和時間上接收的信號，根據已有小孔徑陣列虛擬出大孔徑陣列已經成為可能，這就是現在被廣泛研究的被動合成孔徑技術。陣列做勻速直線運動時，可以利用陣列在不同時間間隔上接收到信號存在的相位差，進行信號相關融合，從而生成一個大的虛擬孔徑。實際上，由于積分時間內存在介質擾動，而且陣列在運動路徑內也會出現不規則擾動，導致一定時間間隔內陣元接收信號的相位差隨之出現不確定的擾動，因此每進行一次被動孔徑合成都需要對相位變化進行補償。
常用的被動合成孔徑技術有兩種擴展拖曳陣技術(ETAM)，如文獻1“S.Stergiopoulos，E.H.Sullivan，Extended towed array processing by an overlap correlator，J.Acoust.Soc.Am.，vol.86，pp.158-171，1989”；快速傅里葉變換被動合成孔徑技術(FFTSA)，如文獻2“Stergiopoulos and Urban，A new passive synthetic aperturetechnique for towed arrays，IEEE Journal of Oceanic Engineering，Vol 17，No.1，January1992”。
ETAM使用重疊相關方法來估計快拍之間由介質和路徑擾動引起的相位擾動。文獻3“S.Stergiopoulos，Optimum bearing resolution for a moving towed array andextension of its physical aperture，J.Acoust.Soc.Am.，vol.87，pp.2128-2140，1990”評估了ETAM算法的性能，它和最大似然估計器類似性能相當，當水聽器接收信號的信噪比大于0dB時，ETAM算法能夠提供和實際陣列相比擬的波束估計。
FFTSA算法直接將一定時間間隔內兩個快拍信號的相位差作為常數，而沒有考慮由于介質或運動偏差導致的相位擾動。其好處是簡化了計算，使得孔徑合成過程可以直接用FFT算法代替進行，大大提高了計算速度；但是，速度的提高卻是以降低性能為代價換取的。
文獻4“R.Rajagopal，P.Ramakrishna Rao，Performance comparison of PASAbeamforming algorithms，International Symposium on Signal Processing and itsApplications，ISSPA，Gold Coast，Australia，1996”表明，比較ETAM、FFTSA和最大似然估計三種算法，無論在提高陣增益、檢測概率(對于給定的虛警率)方面，還是針對不同輸入信噪比時空時相關的穩定性，ETAM算法都表現出更優異的性能。另外，對于一個具有穩定動態聲源譜的移動目標，仿真數據表明ETAM算法比FFTSA具有更好的穩定性。
總體而言，ETAM算法比FFTASA算法具有無可比擬的性能優勢，但計算速度較慢，可行性不高。實際應用中需要一種能夠針對寬帶目標信號快速合成孔徑、并進行波束形成以獲得目標方位的實時處理方法。


發明內容
本發明目的在于，為克服現有的ETAM算法計算速度較慢，可行性不高且實際應用中需要一種能夠針對寬帶目標信號快速合成孔徑、并進行波束形成以獲得更精確目標方位的實時處理方法，從而提出一種快速寬帶頻域擴展拖曳陣波束形成方法。
本發明所述的一種快速寬帶頻域擴展拖曳陣波束形成方法，將ETAM被動合成孔徑技術和寬帶頻域波束形成方法結合在一起，形成了一種新的基于ETAM被動合成孔徑技術的寬帶頻域快速波束形成方法。該方法比常規波束形成方法具有更高的方位分辨率，對微弱目標的檢測能力也更優異，同時速度較快，便于實時處理。
一種線列陣聲納裝置，可以是一條拖曳陣，也可以是舷側陣，所述線列陣由多個水聽器組成。這里設實際陣元數目N，陣元間距d，陣做勻速直線運動，速度v；目標入射方向θ，陣元接收信號表示為x(t)；快拍長度為L。
為了實現上述目的，本發明提出一種快速寬帶頻域擴展拖曳陣波束形成方法，該方法將ETAM被動合成孔徑技術和寬帶頻域波束形成方法結合在一起，可用于對微弱目標的檢測和定位，同時速度較快，便于實時處理；所述的方法包含如下步驟 1)用線陣接收空間信號，得到M個陣元的時域信號；取重疊陣元數目為N，其中N大于零且小于陣元數目，計算兩次快拍數據的時間間隔陣τ，即陣運動N個陣元距離需要的時間，如圖1所示； 2)對第k快拍和第k+1快拍數據在時間域上做快速傅里葉變換； 3)確定目標輻射信號的頻帶范圍[fmin，fmax]，根據第k快拍和第k+1快拍的重疊陣元計算相移參數ψk+1(fi) k表示快拍序號，n表示陣元序號，fi表示頻率，ρm(fi)表示第n陣元頻率fi的補償因子 4)對第k+1快拍、第M-N+1～M陣元信號的不同頻率分量分別進行相位補償，將其虛擬成第k快拍的第M+1～M+N陣元；依次類推，這N個陣元信號可以虛擬成為第1快拍的第M+N*(k-1)+1～M+N*K陣元； 5)重復以上步驟，進行K次的孔徑合成，可以虛擬得到MM＝M+N*K個陣元接收的信號在[fmin，fmax]范圍內的頻域響應； 6)對MM個陣元信號在空間域上補零，再對其在空間域上做FFT變換，然后將獲得數據的零頻分量移至譜中心； 7)在處理帶寬內的每一個頻點上依據頻率——波束網格對其進行校正，得到不同頻點的波束輸出； 8)合成不同頻率的波束形成結果，得到MM個陣元在不同方位上的功率輸出，從而實現目標的精確定位。
上述技術方案，步驟1)所述的重疊陣元占陣元總數的一半，能取得更好的方向分辨率和技術效果。
作為本發明的一個改進，所述的空間域FFT運算結果用頻率——波束網格對其進行校正得到單頻信號的波束輸出； 作為本發明的又一改進，步驟6)所述的空間域采用補零法，所述的補零方法具體采用直接在原數據后直接補零，或在原數據中插值補零。
在上述技術方案的基礎上，進一步地，所述步驟6中，為了提高運算速度，采用FFT代替來常規波束形成。如公式(7)所示，頻率fi的波束形成就是對所有陣元信號的單頻響應進行相位補償后做疊加運算，得到不同方位的波束輸出。此過程與FFT運算非常相似，公式(8)表示對陣元信號單頻響應做FFT運算。
對比公式(7)、(8)可以看出，波束方位θs和FFT變換域k存在一定對應關系 即頻率——波束網格，這里k是FFT的運算序號，fi表示頻率，d是陣元間距，θs是掃描方位，取值范圍0～180度，MM是陣元數目。也就是說波束輸出L(fi，θs)和陣列信號的空間域FFT運算結果Y(fi，k)存在對應關系，只要按照頻率——波束網格對陣列信號的空間域FFT運算結果進行校正就能得到單頻信號的波束輸出。
空間域上補零的目的是保證陣元數目遠大于波束數目，如公式(9)所示，當陣元數目MM足夠大時，θs能夠平均分布在不同的k值上，這樣根據空間域FFT運算得到的波束輸出也就越精確。空間域補零可以有多種選擇。既可以直接在原數據后直接補零，也可以在原數據中插值補零，只要補零后的數據長度滿足要求即可。
在上述技術方案的基礎上，進一步地，所述步驟7中的頻率——波束網格校正是預先產生的，根據公式(9)，計算方法如下所示，floor表示取整運算。
采用FFT實現頻域波束形成需要依據頻率——波數網格進行校正，該問題在文獻“Brian Maranda，Efficient digital beamforming in the frequency domain，1989，J.Acoustical Society of America”中有詳細的闡述。對本領域技術人員來說，理解和實現該方法是可以勝任的。
本發明的優點在于 (1)將ETAM被動合成孔徑技術和寬帶頻域波束形成方法結合在一起，形成了一種新的基于ETAM被動合成孔徑技術的寬帶頻域快速波束形成方法，比常規波束形成方法具有更高的方位分辨率，對微弱目標的檢測能力也更優異； (2)ETAM孔徑合成和波束形成運算都在頻域實現，采用快速傅立葉變換，將寬帶信號分解為多個頻點信號，只對信號頻帶范圍內的每個頻點進行處理，速度快，實時性好，算法穩健性高； (3)海試數據證明有效。



圖1是現有的ETAM方法被動合成孔徑原理示意圖； 圖1-1本發明實施例中的ETAM方法被動合成孔徑原理示意圖； 圖2是現有技術中由艦船拖曳的常規線列陣示意圖； 圖3是本發明的算法流程圖； 圖4是采用本發明算法與未采用本發明算法處理得到目標波束輸出對比； 圖5采用本發明處理結果和對同樣長度實孔徑陣列的波束處理結果對比； 圖6是對采用常規實孔徑波束形成處理海試數據得到的目標方位歷程； 圖7是對采用本發明處理海試數據得到的目標方位歷程。

具體實施例方式 下面結合附圖對本發明進行進一步說明。
本發明的基本構思是常規陣列由于孔徑太短，輸出信噪比較小，導致方位分辨率不高，且作用距離較短。當陣列做勻速直線運動時，ETAM被動合成孔徑方法能夠根據相隔一定延時的兩個快拍信號之間的重疊陣元，計算由于傳播介質和運動誤差引起的相位擾動，然后對陣元信號進行相位補償從而虛擬出大孔徑陣元，提高輸出信噪比，獲得更高的方位分辨率和更遠的作用距離。但ETAM算法比較耗時，難以實時性處理。本發明直接在頻域對寬帶目標信號進行ETAM孔徑合成，然后利用寬帶頻域快速波束形成算法對合成的陣列數據做波束形成，得到不同方位的功率輸出，從而快速精確得到遠距離目標的方位。
本發明提出的一種新的基于ETAM被動合成孔徑技術的寬帶頻域快速波束形成方法，包括如下步驟 步驟1用線陣接收空間信號，得到M個陣元的時域信號；取重疊陣元數目為

計算兩次快拍數據的時間間隔陣τ，即陣運動

個陣元距離需要的時間，如圖1-1。
步驟2對第k、k+1快拍數據在時間域上做快速傅里葉變換，如第k快拍第m陣元的時域信號變換過程如下 步驟3確定目標輻射信號的頻帶范圍[fmin，fmax]，根據第k快拍和第k+1快拍的重疊陣元計算相移參數ψk+1(fi) k表示快拍序號，m表示陣元序號，fi表示頻率，ρm(fi)表示第m陣元頻率fi的補償因子 步驟4對第k+1快拍、第

陣元信號的不同頻率分量分別進行相位補償，將其虛擬成第k快拍的第

陣元。依次類推，這

個陣元信號可以虛擬成為第1快拍的第

陣元。也就是說每進行一次孔徑合成，可以虛擬出

個陣元。
步驟5重復以上步驟，進行K次的孔徑合成，可以虛擬得到

個陣元接收的信號在[fmin，fmax]范圍內的頻域響應。
到這一步為止，合成孔徑已經結束，下面進行快速寬帶頻域波束形成。
步驟6對MM個陣元信號在空間域上補零，再對其在空間域上做快速傅立葉變換，然后將獲得數據的零頻分量移至譜中心。
步驟7在處理帶寬內的每一個頻點上依據頻率——波束網格對其進行校正，得到不同頻點的波束輸出。
步驟8合成不同頻率的波束形成結果，得到MM個陣元在不同方位上的功率輸出。
在上述技術方案的基礎上，進一步地，所述步驟3中，ψk(fi)根據重疊陣元之間的相位偏差計算得到，表示第k、k+1快拍之間由介質和路徑擾動引起的頻率fi的相位擾動。這正是ETAM被動合成孔徑的關鍵所在對不同頻率的相位擾動進行實時補償，以實現孔徑合成。ρm(fi)表示第m陣元頻率fi的補償因子，按照公式(4)計算得到。
實施例 下面結合某次海試數據和附圖對本發明的具體實施方式
做進一步的詳細描述。
試驗參數拖曳陣水聽器數目M＝40，水聽器間距d＝1m；拖曳陣做勻速直線運動，速度v＝3.2m/s，信號采樣率fs＝2000Hz。目標頻帶范圍130～190Hz，方位125度，聲速c＝1516m/s，快拍長度N＝2048。
需要注意的是取的數據長度越長，數據矩陣維數越大，運算速度會相應減慢。為了保證運算速度能夠滿足實時處理的要求，數據快拍長度不宜過大。一般FFT運算點數在2048點及以下均能滿足要求。
采用基于ETAM被動合成孔徑技術的寬帶頻域快速波束形成方法，具體步驟如下 步驟1對應圖3中的301、302、303，用拖曳陣接收空間信號，取第k、k+1快拍的信號在時間域上做2048點FFT運算，得到快拍信號在不同頻率的響應。如下式，N表示快拍長度，行表示時間采樣，列表示陣元。
這里兩個快拍之間的時間間隔τ取為拖曳陣勻速直線運動

個陣元距離所用的時間，依照“發明內容”中公式(1)可得 如圖1-1所示，這樣保證第k快拍、第21～40陣元和第k+1快拍、第1～20陣元在空間上重疊，為計算相位擾動做準備。
步驟2對應圖3中的304，根據k、k+1快拍之間重疊的20個陣元，計算目標頻帶范圍內的相位擾動。
需要說明的是，目標頻帶范圍是130～190Hz，采樣率2000Hz，FFT長度2048點，那么目標信號對應的離散頻點是(130～190)/2000*2048＝(133～195)點，因此整個過程只需要對這一段頻率范圍進行處理即可。
相位擾動計算公式如下 m表示陣元序號，fn表示離散頻點，按照前面的分析結果，n的取值范圍是133～195。ρm(n)表示第m陣元頻點n的補償因子 這里Q是補償因子的頻帶寬度，取為10。
步驟3對應圖3中的305，對快拍k+1，第21～40的陣元數據進行相位補償，實現孔徑合成。
具體做法是對每個陣元不同頻點的響應Xk+1，m(n)分別作ψk+1(n)、ψk(n)、Λ、ψ2(n)的相位補償，如下式所示，將第k+1快拍、第20+m陣元虛擬到第1快拍、第40+20*(k-1)+m陣元。
步驟4重復步驟1、2、3，進行K次孔徑合成，得到40+20*K個陣元的頻域信號XETAM，fmin～fmax表示目標信號對應的頻點范圍。
步驟5對應圖3中的306，對ETAM被動合成孔徑得到的陣列頻域信號在空間域上補零，延長陣元長度至MP，再對其在空間域上做FFT運算；將獲得數據的零頻分量移至譜中心。

式中，行fmin～fmax表示目標信號的頻點范圍，列1～MP表示某頻點信號在空間域做FFT運算后的序號。
空間域上補零的目的是保證陣元數目遠大于波束數目，使得空間域FFT運算結果和陣列波束輸出的對應關系更加均勻，波束輸出也就越精確。空間域補零可以有多種選擇。既可以直接在原數據后直接補零，也可以在原數據中插值補零，只要補零后的數據長度滿足要求即可。本實例直接在原數據后延長補零。
將零頻分量移至譜中心是一種常用的處理方法，在許多文獻中都有說明，對本領域技術人員來說，理解和實現該處理是可以勝任的。
步驟6對應圖3中的307、308，在每一個頻點上依據頻率——波數網格對空域FFT運算結果進行校正，得到不同頻點的波束輸出矩陣L，其行表示搜索方位，列表示不同的信號頻點。

步驟7對應圖3中的309，將步驟6獲得數據矩陣L的每一行的共軛轉置與其自身相乘，結果即為在搜索方位上的輸出功率。
P＝L*LT＝[P(θ1) P(θ2) Λ P(θ180)]T 步驟9重復以上步驟，進行下一次被動孔徑合成波束形成，得到下一個時刻的目標方位功率輸出。
圖4對比了采用本發明前后，海試數據的波束輸出。紅色點劃線表示采用本發明得到的波束輸出，合成孔徑后陣元數目200；藍色虛線表示直接對40陣元實孔徑信號做頻域寬帶波束形成的結果。從圖中可以清楚看出，采用本發明得到的目標波峰的半功率波束寬度是未采用本發明的三分之一，也就說本發明能夠有效提高目標方位的分辨率。
圖5對比了采用本發明和對同樣長度實孔徑陣列的波束處理結果。紅色點劃線表示采用本發明，根據20陣元合成40陣元后的波束輸出；藍色虛線表示直接對40陣元實孔徑信號做頻域寬帶波束形成的結果。對比可以看出，兩種處理效果基本一致，也就是說本發明完全可以利用小孔徑陣列得到和實際大孔徑陣列同樣的方位分辨率和作用距離。需要說明的是，獲得這種好處存在一定前提在一次合成孔徑時間內，陣列必須保持勻速直線運動。
為了說明本發明的實時處理優勢，專門統計了matlab程序處理海試數據需要的時間長度。信號采樣率fs＝2000Hz，數據快拍長度為2048點，直接對40陣元實孔徑信號做頻域寬帶波束形成大概耗時0.06s；采用本發明大概耗時0.21s，合成孔徑后陣元數目200。實際上，長度為2048點的快拍數據對應時間長度為2048/fs＝1.024s，可以看出，采用本發明完全可以實時處理海試數據。
圖6是直接對40陣元實孔徑信號做頻域寬帶波束形成的方位歷程圖，圖7是采用本發明得到的海試數據方位歷程圖，可以看出，本發明得到的目標波束非常精細，更加有利于檢測遠距離微弱目標。
總之，本發明能夠快速實時得到高分辨的目標方位功率輸出。
最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。盡管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種快速寬帶頻域擴展拖曳陣波束形成方法，該方法將ETAM被動合成孔徑技術和寬帶頻域波束形成方法結合在一起，可用于對微弱目標的檢測和定位，同時速度較快，便于實時處理；所述的方法包含如下步驟
1)用線陣接收空間信號，得到M個陣元的時域信號；取重疊陣元數目為N，其中N大于零且小于陣元數目，計算兩次快拍數據的時間間隔陣τ，即陣運動M-N個陣元距離需要的時間；
2)對第k快拍和第k+1快拍數據在時間域上做快速傅里葉變換；
3)確定目標輻射信號的頻帶范圍[fmin，fmax]，根據第k快拍和第k+1快拍的重疊陣元計算相移參數ψk+1(fi)
k表示快拍序號，n表示陣元序號，fi表示頻率，ρn(fi)表示第n陣元頻率fi的補償因子
4)對第k+1快拍、第M-N+1～M陣元信號的不同頻率分量分別進行相位補償，將其虛擬成第k快拍的第M+1～M+N陣元；依次類推，這N個陣元信號可以虛擬成為第1快拍的第M+N*(k-1)+1～M+N*K陣元；
5)重復以上步驟，進行K次的孔徑合成，可以虛擬得到MM＝M+N*K個陣元接收的信號在[fmin，fmax]范圍內的頻域響應；
6)對MM個陣元信號在空間域上補零，再對其在空間域上做FFT變換，然后將獲得數據的零頻分量移至譜中心；
7)在處理帶寬內的每一個頻點上依據頻率——波束網格對其進行校正，得到不同頻點的波束輸出；
8)合成不同頻率的波束形成結果，得到MM個陣元在不同方位上的功率輸出，從而實現目標的精確定位。
2.根據權利要求1所述的快速寬帶頻域擴展拖曳陣波束形成方法，其特征在于，步驟1)所述的重疊陣元占陣元總數的一半。
3.根據權利要求1所述的快速寬帶頻域擴展拖曳陣波束形成方法，其特征在于，所述步驟6)中，采用FFT進行波束形成，所述的波束輸出公式(7)如下；
所述的陣列信號的空間域FFT運算公式如下
所述的波束方位θs和FFT變換域k關系如下
其中，k是FFT的運算序號，fi表示頻率，d是陣元間距，θs是掃描方位取值范圍0～180度，MM是經過ETAM合成孔徑運算后的陣元數目。
4.根據權利要求1所述的快速寬帶頻域擴展拖曳陣波束形成方法，其特征在于，所述的空間域FFT運算結果用頻率——波束網格對其進行校正得到單頻信號的波束輸出；
所述的頻率——波束網格校正是預先產生的，計算公式如下所示，floor表示取整運算；
5.根據權利要求1所述的快速寬帶頻域擴展拖曳陣波束形成方法，其特征在于，步驟6)所述的空間域補零，具體采用直接在原數據后直接補零，或在原數據中插值補零。
全文摘要
本發明提出一種快速寬帶頻域擴展拖曳陣波束形成方法，該方法將ETAM被動合成孔徑技術和寬帶頻域波束形成方法結合在一起，包含如下步驟1)用線陣接收空間信號，得到M個陣元的時域信號；取重疊陣元數目為N；2)對第k快拍和第k+1快拍數據在時間域上做快速傅里葉變換；3)確定目標輻射信號的頻帶范圍，根據相鄰任意兩快拍的重疊陣元計算相移參數4)對不同頻率分量分別進行相位補償得到虛擬的合成陣元；5)重復以上步驟，進行K次的孔徑合成；6)對合成的陣元信號在空間域上補零做FFT變換，然后將獲得數據的零頻分量移至譜中心；7)在每一個頻點進行校正，得到不同頻點的波束輸出；8)合成不同頻率的波束形成結果，從而實現目標的精確定位。
文檔編號G01S7/539GK101813772SQ20101016326
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月30日 優先權日2009年12月31日
發明者李崢, 薛山花, 田彪, 李宇, 黃海寧 申請人:中國科學院聲學研究所, 北京中科海躍科技有限責任公司