一種擴展的拖曳陣寬帶頻域逆波束形成方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及水聲探測領域，特別涉及一種擴展拖曳陣寬帶頻域逆波束形成方法。
【背景技術】
[0002] 隨著水下遠程探測技術的發展，線列陣越來越廣泛地應用到水下目標探測當中， 拖曳陣及舷側陣的探測性能也受到關注。線列陣波束形成技術的分辨率和輸出信噪比都與 線陣的孔徑長度及目標的輻射頻率有著緊密聯系。提高線陣對低頻目標的方位分辨率需增 加孔徑長度，然而，在現實中不可能無限制地增加物理孔徑長度來獲得高分辨率。因此合成 孔徑技術的出現有效的解決了孔徑不足的問題。
[0003] 隨著合成孔徑技術的發展，提出了多種被動合成孔徑算法，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)以及一系列針對上述算法的改進算法。Yen和Carey提出 的合成方法需要預先獲得接收陣和目標的相對運動速度，這給該方法的實際應用帶來很大 不便。FFTSA方法是針對上述問題進行改進的方法，該方法無需上述的先驗知識，ETAM方法 也具有這樣的優點。研究表明ETAM方法是經典方法當中最優的處理方法。但該方法存在 低信噪比情況下性能急劇下降、多目標檢測產生偏差的問題。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于克服現有技術中的合成孔徑方法在低信噪比情況下性能急劇 下降、多目標檢測產生偏差的問題，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，并對多目標檢測有所改善的方法。
[0005] 為了實現上述目的，本發明提供了一種擴展的拖曳陣寬帶頻域逆波束形成方法， 包括：
[0006] 步驟1)、采用擴展拖曳陣算法獲得被動合成孔徑的時域信號；
[0007] 步驟2)、將步驟1)得到的合成孔徑的時域信號做傅里葉變換，得到某一時刻擴展 拖曳陣中各個陣元的頻域快拍信號；
[0008] 步驟3)、根據步驟2)得到的頻域快拍信號，分多個頻點求各個頻點上的空間相關 函數；
[0009] 步驟4)、對步驟3)得到的各個頻點的空間相關函數進行相位補償求和，得到各個 頻點的聲場指向性函數；
[0010] 步驟5)、由一頻點的聲場指向性函數得到該頻點的擴展陣頻域寬帶逆波束形成結 果，將所有頻點的擴展陣頻域寬帶逆波束形成結果進行疊加，得到寬帶逆波束形成的結果。
[0011] 上述技術方案中，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求取在一頻點下、合成孔徑中任意兩個 陣元的互相關矩陣：
[0013] 步驟3-2)、對步驟3-1)所得到的互相關矩陣進行Toeplitz平均處理，得到該頻點 的空間相關函數。
[0014] 上述技術方案中，所述步驟5)包括：
[0015]步驟5-1)、對步驟4)得到的頻點的聲場指向性函數進行離散化處理，得到頻點擴 展陣頻域寬帶逆波束形成結果；
[0016] 步驟5-2)、對所有頻點的擴展陣頻域寬帶逆波束形成結果進行疊加，得到寬帶逆 波束形成的結果。
[0017] 本發明的優點在于：
[0018] 1、本發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，并對多目標 檢測有所改善。
[0019] 2、本發明基于ETAM技術與寬帶頻域逆波束形成方法進行了有效的結合，形成了 一種新型被動合成孔徑技術。有效的提高了被動合成孔徑技術的探測性能，克服了傳統的 ETAM技術在低信噪比下性能急劇下降的問題，與ETAM對比獲得了更高的方位分辨率，同時 對于多目標和弱目標檢測能力也更為優異。
【附圖說明】
[0020] 圖1是擴展拖曳陣算法的基本原理圖；
[0021] 圖2是聲信號入射的示意圖；
[0022] 圖3是SNR=OdB下，本發明方法與現有技術方法的方位估計情況比較圖；
[0023] 圖4是SNR=_20dB下，本發明方法與現有技術方法的方位估計情況比較圖；
[0024] 圖5是現有技術中的ETAM方法、時域平均ETAM與本發明方位在估計精度上的對 比圖；
[0025] 圖6是現有技術中的方法與本發明方法在多目標方位估計（70、75度）上的比較 示意圖；
[0026] 圖7是現有技術中的方法與本發明方法在多目標方位估計（70、72度）上的比較 示意圖；
[0027] 圖8是本發明方法在不同信噪比下的多目標分辨率（70、75度）示意圖；
[0028] 圖9是現有技術中的方法與本發明方法的海試數據方位估計情況比較示意圖；
[0029] 圖10是現有技術中的ETAM方法、時域平均ETAM方法與本發明方法的方位歷程 圖；
[0030] 圖11是本發明方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0031] 現結合附圖對本發明作進一步的描述。
[0032] 本發明的擴展拖曳陣寬帶頻域逆波束形成方法以現有技術中的擴展拖曳陣算法 (ETAM)為基礎，利用該算法進行孔徑擴展獲得虛擬孔徑，然后通過逆波束形成方法進行虛 擬孔徑的波束形成。與現有技術的ETAM相比，本發明有效地抑制了噪聲干擾，獲得更優的 探測性能。
[0033] 為了便于理解，下面首先對ETAM進行介紹。
[0034] 根據聲源信號時間、空間相關性的理論和試驗研究表明，對勻速運動的線列陣進 行孔徑合成，低頻水聲信號的時空相關性是完全足夠的，即：陣接收信號的空間相關長度大 于合成孔徑的積分長度，相鄰兩次快拍中信號的時間相關長度也能滿足相位補償因子的求 解要求。圖1為ETAM的基本原理圖，在相隔時間為T的兩個連續的快拍上，在對聲場進行 空間采樣時，共有N_q對陣元有相同的空間位置(其中N表示拖曳陣的陣元數，q表示拖曳 陣在運動前后兩個時刻空間位置不重疊的陣元的個數)，它們之間相差一個相位因子。對這 N_q對重疊陣元求互相關，就可以得到所需的相位修正因子，補償由于觀測時延以及聲場起 伏、拖曳陣的不規則運動或聲源目標的相對移動引起的相位擾動，這種方法稱為重疊相關 器，即擴展拖曳陣（ETAM)被動合成孔徑方法。
[0035] 重疊陣元的個數決定了相位修正因子的精確性，最優重疊陣元數目是N/2。所以每 一次的ETAM合成孔徑可以獲得N/2個虛擬陣元。如果拖曳陣直線運動時間為T，可以進行 孔徑合成的次數為
【主權項】
1. 一種擴展的拖曳陣寬帶頻域逆波束形成方法，包括： 步驟1)、采用擴展拖曳陣算法獲得被動合成孔徑的時域信號； 步驟2)、將步驟1)得到的被動合成孔徑的時域信號做傅里葉變換，得到某一時刻擴展 拖曳陣中各個陣元的頻域快拍信號； 步驟3)、根據步驟2)得到的頻域快拍信號，分多個頻點求各個頻點上的空間相關函 數； 步驟4)、對步驟3)得到的各個頻點的空間相關函數進行相位補償求和，得到各個頻點 的聲場指向性函數； 步驟5)、由一頻點的聲場指向性函數得到該頻點的擴展陣頻域寬帶逆波束形成結果， 將所有頻點的擴展陣頻域寬帶逆波束形成結果進行疊加，得到寬帶逆波束形成的結果。
2. 根據權利要求1所述的擴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求取在一頻點下、合成孔徑中任意兩個陣元 的互相關矩陣： 步驟3-2)、對步驟3-1)所得到的互相關矩陣進行Toeplitz平均處理，得到該頻點的空 間相關函數。
3. 根據權利要求1所述的擴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)、對步驟4)得到的頻點的聲場指向性函數進行離散化處理，得到頻點擴展陣 頻域寬帶逆波束形成結果； 步驟5-2)、對所有頻點的擴展陣頻域寬帶逆波束形成結果進行疊加，得到寬帶逆波束 形成的結果。
【專利摘要】本發明涉及一種擴展的拖曳陣寬帶頻域逆波束形成方法，包括：采用擴展拖曳陣算法獲得被動合成孔徑的時域信號；將被動合成孔徑的時域信號做傅里葉變換，得到某一時刻擴展拖曳陣中各個陣元的頻域快拍信號；根據頻域快拍信號，分多個頻點求各個頻點上的空間相關函數；對各個頻點的空間相關函數進行相位補償求和，得到各個頻點的聲場指向性函數；由一頻點的聲場指向性函數得到該頻點的擴展陣頻域寬帶逆波束形成結果，將所有頻點的擴展陣頻域寬帶逆波束形成結果進行疊加，得到寬帶逆波束形成的結果。
【IPC分類】G01S7-52
【公開號】CN104678376
【申請號】CN201310625419
【發明人】王朋, 李崢, 黃勇, 劉紀元
【申請人】中國科學院聲學研究所
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2013年11月28日