[发明专利]一种基于距离维波束形成的三元阵被动测距方法

说明书

本发明涉及一种基于距离维波束形成的三元阵被动测距方法，基本原理和实施方案经过了计算机数值仿真的验证，其结果表明：与传统三元阵被动测距方法相比，本发明所提基于距离维波束形成的三元阵被动测距方法，可以在不增加信号带宽的前提下获得更高精度的时延估计结果，从而获得优于传统方法的被动测距性能。

技术领域

本发明属于信号处理领域，特别涉及一种基于距离维波束形成的三元阵被动测距方法。

背景技术

水下三元阵被动测距对被动声纳探测具有重要意义(田坦.声呐技术.第2版[M].哈尔滨工程大学出版社,2010.)。传统三元阵被动测距方法主要利用近场球面波或柱面波的波阵面曲率变化的原理，通过测量三元阵中各个阵元上接收信号的相对时延，估计目标的距离。在采集目标辐射噪声后，传统方法采用广义互相关时延估计方法处理得到三元阵之间的相对时延，根据近场条件下三元阵的几何关系进行被动测距(宋新见.数字式噪声目标被动测距声纳研究[D].哈尔滨工程大学,2004.)。因此三元阵被动测距性能主要受时延估计精度的限制。然而，当所能利用的信号带宽有限或目标距离三元阵较远时(目标处于非典型的近场区域)，使用传统互相关处理方法获得的时延估计精度不足，从而导致三元阵系统的被动测距性能下降。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了解决已有三元阵被动测距方法因时延测量精度不足而导致的测距性能下降问题，本发明提出一种基于距离维波束形成的三元阵被动测距方法。所提方法从三元阵采集信号的相关输出中提取多组离散频率分量，基于距离维波束形成思想，使用Capon波束形成法和MUSIC法处理离散频率分量，在时间维进行扫描以获得优于传统互相关时延估计方法的高精度时延估计结果，从而获得优于传统三元阵被动测距方法的性能。

本发明的技术方案是：一种基于距离维波束形成的三元阵被动测距方法，包括以下步骤：

步骤一：定义位于同一水平面上的三个等间距阵元构成三元阵被动测距系统，其中设点声源目标为M，三个等间距阵元分别对M的辐射信号进行采集，且采集时长均为T₀；对三个阵元上采集的信号进行互相关处理，获得多个时长为2T₀的互相关输出；

步骤二：对步骤一得到的多个互相关输出，使用高分辨波束形成方法获得每个互相关输出的高精度时延估计结果，计算出点声源目标与其中一个阵元之间的距离；包括以下子步骤：

子步骤一：将多个互相关输出分别进行傅里叶变换，获得互相关输出的频域结果，且根据频域处理信号占据的频段，在该频段内提取L组离散频率分量X，其中X的每一行代表一组离散频率分量，且第l行中第p个(l＝1,2,...,L)离散频率分量表示为X_l(f_p)；

子步骤二：L组离散频率分量X的中心频率为L×1维列向量f＝[f₁,f₂,…,f_L]^T，其中f_l代表第l(l＝1,2,…,L)组离散频率分量的中心频率，[]^T表示转置；利用L组离散频率分量X构建L×L维协方差矩阵R：

R＝XX^H

其中，X＝[X₁(f₁)X₂(f₂)…X_L(f_L)]^H；

子步骤三：针对步骤一得到的互相关输出设计距离维加权向量a(τ)＝exp(-j2πfτ)，其中τ为扫描时所使用的时间延迟变量，其取值范围是[0,d_max/c]，d_max为三元阵之间阵元间距的最大值；

子步骤四：使用Capon波束形成法或者MUSIC法获得时间维扫描输出；