[发明专利]一种近场聚焦波束形成定位法

说明书

技术领域

本发明涉及声纳数字信号处理领域，特别涉及一种近场聚焦波束形成定位法。

背景技术

针对中远场目标的检测和测量，常用的水下被动定位法有三子阵定位法、目标运动分析法及匹配场处理方法等。对于近场目标的精确定位，聚焦波束形成定位法则较为适用。常规波束形成技术是基于远场平面波假设的，相当于一个空间滤波器，根据方位计算对接收的声波进行延时补偿来获取信号的空间谱密度从而进行方位测量。但对于近场目标来说，仅考虑方位而忽略距离因子的影响，常规波束形成技术不仅不能测距，而且对目标进行定向也会出现问题。在这种情况下，就需要根据不同方向和距离上的延时对接收信号进行球面波形式的补偿再相加，从形成的波峰中得到目标的方位和距离信息，这也就是针对近场目标的聚焦波束形成技术。

但是，随着水声弱信号的频率的不断降低，要想保持原有的探测性能，阵列孔径就必须越来越大，这使得相应的工程应用越来越难于实现。鉴于此，利用扩展拖曳阵被动合成孔径技术可以依靠短阵的机动获得长阵的各种好处，为利用短阵获得近场低频乃至甚低频水声弱信号的精确定位提供一种可行的思路。被动合成孔径(PASA)是一种被动接收目标噪声、通过阵列的运动和信号处理方法人工增加小孔径阵列长度的技术。常用的被动合成孔径技术有两种：扩展拖曳阵技术(ETAM)；快速傅里叶变换被动合成孔径技术(FFTSA)。前者使用重叠相关器来估计快拍之间由介质和运动路径扰动引起的相位扰动，后者则是直接将一定时间间隔内两个快拍信号的相位差作为常数，前者性能优异，后者便于利用FFT进行快速计算，但却大大降低了性能。

总体而言，聚焦波束形成技术对近场目标有效，但以往仅基于实际阵列使用，近场范围有限，即能精确定位目标的距离受到实际阵列孔径的限制；被动合成孔径技术，尤其是其中的扩展拖曳阵技术，有效地增大了阵列孔径，但以往未能与聚焦波束形成技术结合在一起以实现较近处目标的精确定位。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种近场聚焦波束形成定位法，同时获取扩展拖曳阵技术与近场聚焦波束形成定位方法的优势，对目标进行精确定位。

为实现上述发明目的，本发明提出一种近场聚焦波束形成定位法。该方法基于扩展拖曳阵被动合成孔径方法先得到虚拟阵列各阵元接收的信号在所要处理的频带范围[f_min，f_max]内的频域响应，然后，利用近场聚焦波束形成定位法对目标进行精确定位；其中，频带范围[f_min，f_max]根据实际需要进行选取，只需满足f_min＞0，f_max不大于数据采样率的一半即可。

所述的扩展拖曳阵被动合成孔径方法包括具体步骤如下：

步骤1.1)：线阵中M个阵元在拖曳过程中接收声压时域信号，其中，M为线阵阵元数目，M为不小于2的整数；取ML+1次快拍的数据，每个快拍数据包含M路声压信号，其中，ML是孔径扩展的次数，ML＞0，根据实际需求来选取；按半个实际阵列的长度作为一次孔径扩展的长度，即每次孔径扩展时重叠M/2个阵元，按照式(1)计算两次扩展即两个快拍之间的时间间隔；

τ=M2·d/v---(1)]]>

其中，d为阵元间距，根据实际需要来确定，通常d∈[0.1m，10m]；v为拖曳阵运动速度，v≥3m/s，不过进行同样次数的孔径扩展，速度越大，需要累积的时域数据越少；

步骤1.2)：对相邻两个快拍如k、k+1个快拍声压时域信号做傅立叶变换，得到相应的M路频域信号，第m个阵元的第k快拍按式(2)数据变换过程：