[发明专利]一种适用于多波束测深系统的任意角度快速波束形成方法

说明书

本申请提供了一种适用于多波束测深系统的任意角度快速波束形成方法，所述波束形成方法包括：计算预设角度向量对应的频率索引矩阵；将所述频率索引矩阵拆分成整数部分矩阵和小数部分矩阵；基于小数部分矩阵，得到加权矩阵，对阵元接收数据矩阵进行加权；基于整数部分矩阵和加权的所述阵元接收数据矩阵，输出预设角度向量对应的输出波束。本申请提出了一种基于快速傅里叶变换的任意角度波束形成算法。该算法通过研究角度和空域频率的关系，将空域频率的频率索引矩阵拆分成整数和小数两个部分，进一步根据小数部分设计各个角度的加权向量，解决了DFT波束形成波束角度受限的问题。

技术领域

本发明涉及波束形成技术领域，特别涉及一种适用于多波束测深系统的任意角度快速波束形成方法。

背景技术

海底地形测量是一切海洋工程活动的基础，它最基本的任务就是测量海底的深度，测绘海底地形图。随着人类海洋资源开发研究活动的不断加强，海洋测绘和调查的意义已不再局限于航行安全和科学研究，更加关系到海洋资源的归属和领海主权。

多波束测深系统是一种高效的海底测绘工具。它能够在一定空间范围内同时形成多个波束，每发射一次声波就能获得多达数百个海底测点的深度数据，把测深技术从“点-线”测量变成“线-面”测量，促进了海底三维地形的测量效率和海底遥测质量的大幅提高。

波束形成技术是多波束测深声呐所需的一项关键技术。声呐波束形成的目的是使多阵元构成的基阵经适当处理得到在预定方向的指向性。对于一个发射系统，具有指向性意味着发射能量可集中在某一方向，这样可以用较小的发射功率探测更远距离的目标。接收系统具有指向性，则可使系统定向接收，从而抑制其它方向的信号和干扰。此外，利用接收系统的指向性可以准确测定目标方位。如果接收系统形成多个波束，则可分辨多个目标。多波束测深系统正是通过这一原理进行工作的。

现有的多波束测深系统多采用常规波束形成算法对系统采集到的原始数据进行处理得到预设角度上的波束输出。常规波束形成算法采用对多通道数据加权求和的方式，具有较好的稳健性和较高的成像精度，但是当观测场景较大且预成波束数较多时，系统的运算负荷非常大，难以保证系统实现的实时性。

常规波束形成是通过对阵元接收数据进行加权求和实现的。为了提高常规波束形成算法的计算速度，出现了DFT波束形成算法。DFT波束形成算法虽然可以利用FFT加速波束形成的计算，但是只能得到N个固定角度的波束输出。DFT波束形成不能形成任意角度波束输出的原因在于DFT的频率索引需要为一整数，当计算出的角度对应的DFT的频率索引不为整数时，DFT波束形成算法将失效。因此该方法不能直接应用在多波束测深系统中。

常用的DFT波束形成算法不能形成任意角度波束输出。同时，常规波束形成算法采用对多通道数据加权求和的方式，具有较好的稳健性和较高的成像精度，但是当观测场景较大且预成波束数较多时，系统的运算负荷非常大，难以保证系统实现的实时性。

发明内容

本申请的目的在于解决现有技术存在的缺陷。

本申请提供了一种适用于多波束测深系统的任意角度快速波束形成方法，针对DFT波束形成算法存在的问题，在其基础上提出一种基于快速傅里叶变换的任意角度波束形成算法。

本申请提供了一种适用于多波束测深系统的任意角度快速波束形成方法，所述多波束测深系统使用阵元接收原始数据并进行处理，得到预设角度上的输出波束，所述波束形成方法包括：确定阵元接收数据矩阵和输出波束的预设角度向量，所述预设角度向量包括至少一个预设角度；基于已有的波束角度算法，计算所述预设角度向量对应的频率索引矩阵；将所述频率索引矩阵的元素拆分成整数部分和小数部分，所述整数部分组成频率索引整数矩阵，所述小数部分组成频率索引小数矩阵；基于所述频率索引小数矩阵，得到加权矩阵，并对所述阵元接收数据矩阵进行加权，得到加权的阵元接收数据矩阵；基于所述频率索引整数矩阵和所述加权的阵元接收数据矩阵，输出所述预设角度向量对应的输出波束。