[发明专利]一种MIMO声呐系统

说明书

本发明涉及一种MIMO声呐系统，包括发射端和接收端，其中，发射端的发射阵划分多个子阵，每个子阵包含多个阵元；每个子阵的各个阵元发射同一种波形，各子阵发射不同波形，由此构成波形分集；同一子阵中，各阵元通过加权调整相位，实现发射波束形成，获取发射阵增益；接收端的接收阵对每一个接收阵元接收的回波信号进行匹配，根据匹配结果进行方位估计，获取各阵元的入射角DOA。本发明通过子阵划分，各子阵发射不同波形从而实现波形分集；在同一子阵中，通过加权调整相位，实现发射波束形成，获取发射阵增益。同时，本发明每个阵元仅输出一种波形，避免了多种波形叠加的复杂处理，而硬件上仅需在现有声呐系统的发射机系统上稍作调整即可。

技术领域

本申请涉及水下通信技术领域，具体涉及一种多输入多输出(Multiple-InputMultiple-output，MIMO)声呐系统。

背景技术

上世纪90年代，无线通信领域为了克服通信信道衰落的问题，提出了MIMO通信，利用了无线信道的散射实现了高速无线通信，利用分集接受的思想为高分辨率识别、高概率检测、高稳健性探测提供了一种新的思路。雷达领域的研究人员将MIMO概念引入雷达中。随着MIMO雷达的发展，在声呐领域也开展了MIMO探测的研究。

过去十多年来，MIMO的概念如火如荼，但水下声信道具有复杂的时空频特性及随机起伏性，声传播条件远比无线通信信道恶劣，声呐系统与通信系统和雷达系统也有很大的区别，可以说分布式声呐的概念和优势尚待商榷，离实用还有很长的路要走。而密集式MIMO声呐源于相控阵发射接收，与现行系统的中的密集多波束、匹配滤波等处理相呼应，更具有实用价值。

现有技术中，叠加发射波束形成的主动声呐具有发射阵增益，因此可以增大发射功率，并实现指向性。分布式MIMO声呐应用场景较为局限。而密集式MIMO声纳参照MIMO雷达，各阵元发射正交波形。

密集式MIMO又称为集中式MIMO。图1为密集式MIMO声呐或雷达的示意图，由图1所示，发射阵列和接收阵列分别都是紧密布放的阵列，可以置于一处复用(收发合置)的单基地，也可以是收发分置的双基地。满足远场点目标的假设，则对于发射阵的各阵元发射角度可认为均为θ_t，对于接收阵的所有阵元入射角均为θ_r。发射阵发射的N_t个波形相互正交，可通过在接收阵匹配滤波分离正交信号，相当于N_tN_r个虚拟阵元的阵列。由此可以增大的虚拟孔径，增加系统的自由度，改善目标探测和参数估计性能。对于MIMO雷达而言，各发射阵元发射不同的波形使得辐射功率较低，会降低敌方雷达对己方的截获率，从而提高己方安全性。对于MIMO声呐而言，假如各阵元发射不同波形，则无法获得发射阵增益和指向性，声呐作用距离大大下降。

发明内容

本申请的目的是针对现有技术中的MIMO声呐系统中波形分集没有阵增益、作用距离短的缺陷，提供一种基于子阵波形分集的MIMO声呐系统，具体涉及一种密集型的MIMO声呐系统结构以及相应的波形设计方法，通过子阵划分实现波形分集，获取发射阵增益。

为实现上述目的，本发明提供了一种MIMO声呐系统，包括发射端和接收端，其中，所述发射端的发射阵划分多个子阵，每个子阵包含多个阵元；所述每个子阵的各个阵元发射同一种波形，各子阵发射不同波形，由此构成波形分集；所述同一子阵中，各阵元通过加权调整相位，实现发射波束形成，获取发射阵增益；

所述接收端的接收阵对每一个接收阵元接收的回波信号进行匹配，根据匹配结果进行方位估计，获取各阵元的入射角DOA。

优选地，所述各子阵发射的波形形成正交波形。

优选地，所述发射端以单频波为载波，以及采用零均值序列作为编码。

优选地，所述发射端的发射阵发出的信号矩阵为X＝ωS，其中，ω＝[ω₁，...，ω_P]，ω是K×P的矩阵，P为子阵个数，每个子阵有K个阵元。