[发明专利]一种提高基阵分辨力和增益的快速波束形成方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及基阵信号处理方法。具体地说是一种可以使接收基阵的空间分辨力和阵增益均得到提高的信号处理方法。

(二)背景技术

现有的主动声纳，如前视声纳、侧扫声纳、浅剖声纳、猎雷声纳等，混响和环境噪声是主要干扰源。为了使回波数据具有较高的信混比，通常采用短脉冲发射、窄波束接收的方法。基阵的设计大多采用基于FFT(Fast Fourier Transform)的波束形成方法进行目标回波的方位估计。采用基于FFT多波束形成方法的计算量小，但是它的空间分辨力受到阵列物理孔径的限制，对于一个波束宽度内的目标不可分辨。若要提高分辨力则需要增大阵列的孔径，这将增加工程应用中的成本和难度。并且波束之间受旁瓣的影响很大，已经很难满足工程上对于高精度的障碍物检测以及海底地形地貌探测的需求。前视声纳、侧扫声纳等主动声纳的工作特点决定了在实际应用中很难有较多的快拍数，并且对于实时性的要求高。因而急需一种同时兼备计算量小，分辨力高、不受快拍数要求的方位估计方法来有效地提高阵列的分辨力，又不会影响声纳系统对于实时性的要求。

为了在不增加阵列物理尺寸的前提下，使阵列的分辨力有所提高，可以在虚拟阵列的意义上将阵列的孔径扩展。采用四阶累积量的方法可以有效的扩展阵列孔径，从而提高阵列的空间分辨力。同时，也可以进行多于真实阵元数目的目标个数估计。基于四阶累积量的波束形成方法虽然具有以上的优势，但是矩阵构造的计算量很大，对于一个阵元数为M的线阵而言，采用四阶累积量的方法可以将阵列的孔径扩展为原来的二倍，所构造的四阶累积量矩阵为M²×M²维的。刘学斌、韦岗、季飞等在借鉴传统的约束最小冗余线阵概念的基础上，从阵列输出的四阶累积量定义出发，利用四阶累积量扩展阵列孔径的功能，设计出基于四阶累积量的约束最小冗余线阵。[基于四阶累积量扩展孔径的线阵设计，电波科学学报，2006(02)：P126-130]。常规四阶累积量的方法需要比二阶统计方法更多的快拍数，并且基于四阶累积量的高分辨算法具有对信噪比、信源间的独立性、基元的一致性要求高、稳定性差等特点，这些特点使得这种信号处理方法在实际工程应用中性能受限。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种基元数少、分辨力高、旁瓣级低、计算复杂度小的一种提高基阵分辨力和增益的快速波束形成方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)采用最小冗余阵列的构造，将M元均匀线阵优化成P元非均匀线阵的形式；

(2)对P元基阵的基元数据进行FFT处理；

(3)在频率域上，根据基于四阶累积量的阵列孔径扩展特性构造基于均匀线阵的数据协方差矩阵；

(4)波束空间归一化处理；

(5)进行Bartlett空间谱估计。

本发明利用四阶累积量的阵列孔径扩展特性实现了使用优化的基元布放形式来获得高的分辨力，克服了原有基于四阶累积量方法对快拍数要求高、计算复杂度大的缺点，使得计算过程简单易行。在信噪比高于临界信噪比时，本发明方法具有比常规波束形成更高的阵增益。波束空间的归一化处理，实现了对背景干扰的有效抑制。本发明的波束形成方法简单易行，非常适用于工程应用。

本发明在基阵数目降低的同时，有效的提高阵列的空间分辨力和阵列的增益并且使计算复杂度得到降低。数据的计算复杂度由M²×M²降为M×(2M-1)。理论推导与仿真证实在信噪大于临界信噪比时，本发明方法具有比常规波束形成方法更高的阵增益。

(四)附图说明

图1a-图1b为主动声纳工作流程图，其中图a为声纳发射机基本组成、图b为声纳接收机基本组成。

图2为信号处理流程图。

图3a-图3c为阵列扩展示意图，其中图3a为M元均匀直线阵、图3b为M元均匀直线阵采用四阶累积量的方法可以构造出相当于2M-1元均匀直线阵的阵列孔径、图3c为将M元均匀直线阵进行阵元的优化选取，采用四阶累积量的方法同样可以构造出相当于2M-1元均匀直线阵的阵列孔径。

图4为阵增益随信噪比的变化。

图5为扩展后阵增益等于实际阵增益的临界信噪比。

图6为常规波束空间归一化波束形成的试验数据处理结果。

图7为本发明方法的试验数据处理结果。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：