[发明专利]一种基于分子阵预处理的MUSIC波束形成方法

说明书

本发明公开了一种基于分子阵预处理的MUSIC波束形成方法，所述方法包括：根据线列阵接收数据中信号和噪声相关性的差异，将线列阵中2N‑1个阵元接收数据通过分子阵预处理转变为N个阵元数据；然后再对N个阵元数据进行处理，得到MUSIC波束输出。本发明方法对线列阵接收数据进行了分子阵预处理，有效提高线列阵接收数据协方差矩阵中信号含有量和信噪比，降低了背景噪声和旁瓣级对MUSIC波束形成检测弱目标带来的影响，提高了MUSIC波束形成对弱目标检测的检测效果。

技术领域

本发明涉及声纳信号处理领域，特别涉及一种基于分子阵预处理的MUSIC波束形成方法。

背景技术

水下目标检测与估计是阵列信号处理的一个重要分支。波束形成作为阵列信号处理中核心算法，输出波束中的背景噪声和旁瓣级一直是其设计中需要考虑的问题。低背景噪声和旁瓣级可以有效降低对位于强目标旁瓣区域内弱目标检测的漏报概率。

为了对波束形成输出背景噪声和旁瓣级实现控制，许多学者从不同方法对降低波束形成旁瓣级进行了深入研究，并取得了一定的研究成果，提出了很多方法，主要为Chebyshev滤波方法，“凹槽噪声场”方法，静态波束图数字综合方法，反复迭代方法，多线性约束方法，非线性优化方法，凸优化(Convex Optimization)方法，半无限二次规划(Semi-Infinite Quadratic Programming)方法，二阶锥(Second-Order Cone)约束方法，中心矩方法，虚拟干扰源构造能量聚焦矩阵方法，稀疏约束方法。在以上方法中，Chebyshev滤波方法以其简单方便常被应用实际工程中，但存在旁瓣级设置和主瓣宽度控制折中选择问题。

目前的方法都未能解决针对MUSIC波束形成中背景噪声和旁瓣级对检测弱目标性能影响的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对MUSIC波束形成中背景噪声和旁瓣级对检测弱目标性能影响的问题，根据线列阵接收数据中信号和噪声相关性的差异，提出一种基于分子阵预处理的MUSIC波束形成方法。该方法首先需要将线列阵中2N-1个阵元接收数据通过分子阵预处理转变为N个阵元数据；然后再采用MUSIC波束形成思想对该N个阵元数据进行处理，可得到各方位处空间谱。由于该方法对线列阵接收数据进行了分子阵预处理，有效提高线列阵接收数据协方差矩阵中信号含有量和信噪比，降低了背景噪声和旁瓣级对MUSIC波束形成检测弱目标带来的影响，提高了MUSIC波束形成对弱目标检测的检测效果。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于分子阵预处理的MUSIC波束形成方法，所述方法包括：

根据线列阵接收数据中信号和噪声相关性的差异，将线列阵中2N-1个阵元接收数据通过分子阵预处理转变为N个阵元数据；然后再对N个阵元数据进行处理，得到MUSIC波束输出。

作为上述方法的一种改进，所述方法具体包括：

步骤1)对线列阵2N-1个阵元接收数据按下式进行分组处理：

式中，X_n(f_l)表示第n个阵元拾取的频率f_l数据，表示为：

式中：S(f_l)为目标辐射信号，N_n(f_l)为第n个阵元拾取的加性高斯白噪声数据，λ＝f_l/c为波长，d为线列阵相邻阵元间距，θ₀为目标相对线列阵入射角度，c为声速入射；

步骤2)在搜索角度θ,θ＝1,2,…180处，按下式对各组数据进行相移预处理：

步骤3)对各组数据预处理结果进行相加，得到一组新数据Y(f_l)为：