一种分级子阵聚焦MVDR波束形成方法

申请号 CN201310706004.7 申请日 2013-12-19 公开(公告)号 CN104730513A 公开(公告)日 2015-06-24
申请人 中国科学院声学研究所; 发明人 李峥; 黄海宁;
摘要 本 发明 涉及一种分级子阵聚焦MVDR波束形成方法,该方法将普通快速频域宽带波束形成 算法 与子阵聚焦MVDR算法结合起来,首先由快速频域宽带波束形成完成对目标方位粗测,再划分子阵,最终由子阵聚焦MVDR算法完成对目标方位的精测,实现快速高 精度 的波束形成;包括:1)首先,对线列阵声纳装置接收到的数据通过一次时域FFT变换和 空域 相位 补偿,完成快速宽带频域波束形成,完成对目标方位的初步估计;2)然后,对普通波束形成曲线进行峰值检测,发现目标后,对频域阵列 信号 进行子阵划分,并且只对目标附近的方位做子阵聚焦MVDR波束形成,进行二次方位检测,得到更精确的目标方位。本发明提高了整个声纳定向系统的性能,同时满足实时性、高分辨和宽容性的需要。
权利要求

1.一种分级子阵聚焦MVDR波束形成方法,该方法将普通快速频域宽带波束形成算法与子阵聚焦MVDR算法结合起来,首先由快速频域宽带波束形成完成对目标方位粗测,再划分子阵,最终由子阵聚焦MVDR算法完成对目标方位的精测,实现快速高精度的波束形成。
2.根据权利要求1所述的分级子阵聚焦MVDR波束形成方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
1)首先,对线列阵声纳装置接收到的数据通过一次时域FFT变换和空域相位补偿,完成快速宽带频域波束形成,完成对目标方位的初步估计;
2)然后,对普通波束形成曲线进行峰值检测,发现目标后,对频域阵列信号进行子阵划分,并且只对目标附近的方位做子阵聚焦MVDR波束形成,进行二次方位检测,得到更精确的目标方位。
3.根据权利要求2所述的分级子阵聚焦MVDR波束形成方法,其特征在于,所述线列阵声纳装置由多个听器阵元组成,是一条拖曳阵或是舷侧阵;设水听器阵元数目N,阵元间距d,目标入射方向θ,阵元接收信号表示为x(t),信号频带范围为fmin~fmax;声速为c,数据快拍长度为L。
4.根据权利要求3所述的分级子阵聚焦MVDR波束形成方法,其特征在于,所述方法的具体步骤如下:
11)线列阵数据输入;
线列阵声纳装置接收空间信号,得到M个阵元的时域信号,取L采样点长度的数据形成一个数据快拍,作为数据输入:
T
X(t)=[x1(k) x2(k) … xM(k)] ;
其中,xm(k)=[xm(1) xm(2) … xm(L)];
12)快速宽带频域波束形成;
对数据快拍X(t)在频带范围fmin~fmax内做快速频域宽带波束形成:
首先,对阵列信号X(t)的每一个阵元信号做时域FFT,截取fmin~fmax范围的频域信号表示如下:
T
X(f)=[x1(f) x2(f) … xM(f)] ;
其中,xm(f)=[xm(fmin) … xm(fmax)];
对不同频率分量fi构造导引矢量:
然后,进行相位补偿,得到各个频率分量的波束输出:
y(f,θl)=w(fi,θl)X(f);
最后,将不同频率分量的各个波束输出进行平方相加得到波束图:
21)一次方位检测;
对于波束曲线PCBF(θl)(l=1,2,…,180°)进行方位检测,首先,对波束曲线进行峰值检测,对每一个峰值计算检测系数DT:
其中,PCBF(θpeak)表示目标峰值,E[PCBF(θl)]表示波束曲线的均值,δ[PCBF(θl)]表示波束曲线的起伏值;
假设检测到了Q个目标,方位分别表示为θq(k=1,2,…,Q);
22)子阵聚焦MVDR波束形成;
对检测到的每个目标θq(k=1,2,…,Q),对其附近的方位做子阵聚焦MVDR波束形成:
将线列阵划分为N个子阵,每个子阵含有Ms个阵元,则有
最后,一个子阵长度为:
定义x'n(t)表示第n个子阵的时域阵列信号,则第n个子阵接收信号的频域矢量X'n表示为:
其中,Xm(f)=[Xm(f1) Xm(f2) … Xm(fK)],K表示频率分量的数目;
对观测方向θ,构造频点fk对应的子阵方向矢量为:
对各子阵频域阵列信号作波束方向相位补偿,得到子阵输出波束为:
Yn(θ)=[Yn(θ,f1) Yn(θ,f2) … Yn(θ,fK)];
其中,Yn(θ,fk)=aH(θ,fk)X'n(fk);
将Yn(θ)视为第n个虚拟阵元的阵元信号,则虚拟阵的阵列信号表示为:
Y(θ)=[Y1(θ); Y2(θ); …; YN(θ)];
按照平面波假设,以第一个子阵为基准,对每一个子阵进行延时聚焦:
其中,
这样,得到子阵聚焦对齐后虚拟阵的协方差矩阵估计为:
其中,
则θ方向的输出功率谱估计为:
其中,最优权向量
23)对子阵聚焦MVDR得到的波束曲线PSA-MVDR(θ)进行二次方位检测,得到更精确的目标方位θq'(k=1,2,…,Q)并输出。
5.根据权利要求4所述的分级子阵聚焦MVDR波束形成方法,其特征在于,所述步骤
22)中,一般将线列阵划分成3~5个子阵。
6.根据权利要求4所述的分级子阵聚焦MVDR波束形成方法,其特征在于,所述步骤
21)中,一般取检测系数DT=6dB,这时检测概率为95.4%。
7.根据权利要求4所述的分级子阵聚焦MVDR波束形成方法,其特征在于,所述步骤
22)中,对检测到的每个目标θq(k=1,2,…,Q)附近的方位做子阵聚焦MVDR波束形成,所述的附近的方位取值为θq-Δθ~θq+Δθ,Δθ取值范围为5~10°。
8.根据权利要求4所述的分级子阵聚焦MVDR波束形成方法,其特征在于,所述步骤
23)中的二次方位检测同一次方位检测的方法完全一致。

说明书全文

一种分级子阵聚焦MVDR波束形成方法

技术领域

[0001] 本发明属于声纳数字信号处理领域,特别涉及一种分级子阵聚焦MVDR(MinimumVarianceDistortionlessResponse,最小方差无失真响应算法)波束形成方法,可以应用于各种线列阵声纳系统,实现快速高精度的波束形成。

背景技术

[0002] 受瑞利限的限制,对于小孔径基阵,采用传统的波达估计算法难以分辨方位上接近的2个或多个目标。1969年Capon在文献“High-resolution frequency-wavenumberspectrumanalysis”中提出的MVDR算法是一种在理论上具有高分辨性能的波达估计算法,但是运算过程中会涉及到高维矩阵求逆,复杂度很高,而且算法对信噪比要求比较高,稳定性也较差。为了解决这些问题,Swingler.D.N在文献“Alow-complexityMVDRbeamformerforusewithshortobservationtimes”中提出一种连续不重叠不等长子阵波束形成方法,田彪等在文献“多子阵高分辨实时波达估计算法研究”中提出了一种类似的基于均匀邻接子阵列处理方法的MVDR算法,这些方法在降低计算量的同时还能保持MVDR算法的高分辨性能,实时性较好。另外,通过子阵处理提高了单个阵元的信噪比,对信噪比的宽容性也更好。
[0003] 虽然子阵聚焦MVDR算法在一定程度上有效降低了运算复杂度,但是,距离一般声纳系统所要求的实时性还有一定差距。

发明内容

[0004] 本发明目的在于,克服常规波束形成面临的分辨率有限,无法实现对目标的高精度测向,以及MVDR等自适应高分辨波束形成方法面临的运算复杂度高、稳定性差的问题,从而提出了一种分级子阵聚焦MVDR波束形成方法,以同时满足声纳系统波束形成在实时性、高分辨能和宽容性方面的需求。
[0005] 本发明考虑普通波束频域宽带波束形成方法在实时性和宽容性方面的巨大优势,为了解决小孔径平基阵高精度被动测向的问题,本发明提出了一种分级波束形成的思路是:将普通快速频域宽带波束形成与子阵聚焦MVDR算法结合起来,由快速频域宽带波束形成算法完成对目标方位粗测,再由子阵聚焦MVDR算法完成对目标方位的精测,从而提高整个声纳定向系统的性能,同时满足实时性、高分辨和宽容性的需要。一种线列阵声纳装置,可以是一条拖曳阵,也可以是舷侧阵,所述线列阵由多个水听器组成。这里设阵元数目N,阵元间距d,目标入射方向θ,阵元接收信号表示为x(t),信号频带范围为fmin~fmax;声速为c,数据快拍长度为L。
[0006] 本发明的方法详细流程如附图1所示,首先对线列阵接收到的数据通过一次时域FFT变换和空域相位补偿,完成快速宽带频域波束形成,由于普通波束形成分辨力有限,这一步只是完成对目标方位的初步估计,可以将波束间隔设置的比较宽。然后,对普通波束形成曲线进行峰值检测,发现目标后,对频域阵列信号进行子阵划分,只对目标附近的方位做子阵聚焦MVDR波束形成,然后进行二次方位检测,得到更精确的目标方位。
[0007] 具体步骤描述如下:
[0008] 11)线列阵数据输入
[0009] 用线阵接收空间信号,得到M个阵元的时域信号,取L采样点长度的数据形成一个数据快拍,作为数据输入。
[0010] X(t)=[x1(k) x2(k) … xM(k)]T
[0011] 其中,xm(k)=[xm(1) xm(2) … xm(L)]
[0012] 12)快速宽带频域波束形成
[0013] 对数据快拍X(t)在频带范围fmin~fmax内做快速频域宽带波束形成,具体过程如下。
[0014] 首先对阵列信号X(t)的每一个阵元信号做时域FFT,截取fmin~fmax范围的频域信号表示如下:
[0015] X(f)=[x1(f) x2(f) … xM(f)]T
[0016] 其中,xm(f)=[xm(fmin) … xm(fmax)]
[0017] 对不同频率分量fi构造导引矢量:
[0018]
[0019] 然后进行相位补偿,得到各个频率分量的波束输出:
[0020] y(f,θl)=w(fi,θl)X(f)
[0021] 最后将不同频率分量的各个波束输出进行平方相加得到波束图:
[0022]
[0023] 实际上整个过程是个二维傅里叶变换,先对阵元信号做傅里叶变换,再按阵元抽取各个变换的频谱做空间傅里叶变换。
[0024] 21)一次方位检测
[0025] 对于波束曲线PCBF(θl)(l=1,2,…,180°)进行方位检测,首先对波束曲线进行峰值检测,对每一个峰值计算检测系数DT:
[0026]
[0027] 其中PCBF(θpeak)表示目标峰值,E[PCBF(θl)]表示波束曲线的均值,δ[PCBF(θl)]表示波束曲线的起伏值。声纳工程领域,一般取检测系数DT=6dB,这时检测概率为95.4%。
[0028] 假设检测到了Q个目标,方位分别表示为θq(k=1,2,…,Q)。
[0029] 22)子阵聚焦MVDR波束形成
[0030] 对检测到的每个目标θq(k=1,2,…,Q),对其附近的方位(例如20°范围)做子阵聚焦MVDR波束形成,具体过程如下:
[0031] 按照附图2的示意,将线列阵划分为N个子阵,每个子阵含有Ms个阵元,则有[0032]
[0033] 最后一个子阵长度为:
[0034] 定义示x'n(t)表示第n个子阵的时域阵列信号,则第n个子阵接收信号的频域矢量X'n表示为:
[0035]
[0036] 其中,Xm(f)=[Xm(f1) Xm(f2) … Xm(fK)],K表示频率分量的数目。
[0037] 对观测方向θ,构造频点fk对应的子阵方向矢量为
[0038]
[0039] 对各子阵频域阵列信号作波束方向相位补偿,得到子阵输出波束为:
[0040] Yn(θ)=[Yn(θ,f1) Yn(θ,f2) … Yn(θ,fK)]H
[0041] 其中,Yn(θ,fk)=a(θ,fk)X'n(fk)
[0042] 将Yn(θ)视为第n个虚拟阵元的阵元信号,则虚拟阵的阵列信号表示为:
[0043] Y(θ)=[Y1(θ); Y2(θ); …; YN(θ)]
[0044] 按照平面波假设,以第一个子阵为基准,对每一个子阵进行延时聚焦:
[0045]
[0046] 其中
[0047] 这样得到子阵聚焦对齐后虚拟阵的协方差矩阵估计为:
[0048]
[0049] 其中,
[0050] 则θ方向的输出功率谱估计为:
[0051]
[0052] 其中,最优权向量
[0053] 23)对子阵聚焦MVDR得到的波束曲线PSA-MVDR(θ)进行二次方位检测,得到更精确的目标方位θq'(k=1,2,…,Q),输出目标方位θq'(k=1,2,…,Q)。
[0054] 重复以上步骤。
[0055] 在上述技术方案的基础上,进一步地,步骤4)中,一般将线列阵划分成3-5个子阵较为合适,一方面可以显著降低MVDR矩阵求逆的维度,减小运算量;另一方面也不会影响算法的分辨力。
[0056] 在上述技术方案的基础上,进一步地,步骤4)中,子阵聚焦对齐后虚拟阵的协方差矩阵 为N*N的矩阵,维数远小于M*M的全阵协方差矩阵。因此,相应的矩阵求逆的计算量将得到极大的降低,从而使得实时的高分辨算法成为可能。
[0057] 本发明的优点在于:
[0058] (1)采用分级波束形成方法,充分利用了普通波束形成的实时高效性能和自适应MVDR算法的高分辨能力,以及子阵处理的优势,同时满足实时性和高分辨的要求。
[0059] (2)子阵聚焦MVDR方法可以在相对较小的孔径内保证信号的相关性,得到较高的信噪比,增强对环境的宽容性,且对大孔径、阵元数目较多的基阵,通过划分子阵然后进行MVDR波束形成,可以极大减小矩阵求逆的维度,保证矩阵的可逆性,降低运算复杂度。
[0060] (3)试验数据证明本发明的方法有效。
[0061] 本发明可以用于各种线列阵声纳系统,实现快速高精度的波束形成。

附图说明

[0062] 图1是本发明的分级子阵聚焦MVDR波束形成方法的流程图
[0063] 图2是本发明的子阵划分策略示意图;
[0064] 图3a和3b是本发明的湖试数据处理的方位历程结果;其中,图3a是方位粗估的结果,图3b是进行子阵聚焦MVDR波束形成算法精确估计的结果;
[0065] 图4是本发明的湖试数据处理的波束形成曲线图。具体实施例
[0066] 下面结合某次湖上试验数据和附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细描述。
[0067] 输入数据某线列阵声纳的湖上试验数据,基阵水听器数目M=32,水听器间距d=0.15m,阵长4.8m,采样率fs=30KHz,声速c=1516m/s。处理带宽2000~5000Hz,快拍长度L=2048,基阵划分成4个子阵,每个子阵8个阵元,波束形成间隔设置为1°,做1~180°范围的波束形成。
[0068] 采用分级子阵聚焦MVDR波束形成方法,具体步骤如下:
[0069] 步骤1:对应图1中的步骤101,对M=32阵元的采样信号,取L=2048采样点长度的阵列数据形成一个快拍,作为数据输入。
[0070] X(t)=[x1(k) x2(k) … xM(k)]T
[0071] 其中,xm(k)=[xm(1) xm(2) … xm(L)]
[0072] 步骤2:对应图1中的步骤102、步骤103,对数据快拍X(t)在频带范围2000~5000Hz内做快速频域宽带波束形成,具体过程如下。
[0073] 首先,计算频带范围对应的FFT点数:
[0074] fmin=2000/fs×2048=136
[0075] fmax=5000/fs×2048=342
[0076] 对阵列信号X(t)的每一个阵元信号做时域2048点FFT,截取fmin~fmax范围的频域信号表示如下:
[0077] X(f)=[x1(f) x2(f) … xM(f)]T
[0078] 其中,xm(f)=[xm(fmin) … xm(fmax)]
[0079] 对不同频率分量fi的阵元信号进行相位补偿,得波束输出为:
[0080] y(f,θl)=w(fi,θl)X(f)
[0081] 其中导引矢量:
[0082] 将不同频率分量的各个波束输出进行平方相加得到波束图:
[0083]
[0084] PCBF(θl)(l=1,2,…,180)即为快速频域宽带波束形成的波束曲线。
[0085] 步骤3:对应图1中的步骤104,对波束曲线PCBF(θl)(l=1,2,…,180)进行方位检测。首先计算波束曲线的均值E[PCBF(θl)]和方差δ[PCBF(θl)],然后计算每一个方位检测系数
[0086]
[0087] 取检测系数阈值DT=6dB,若i方向的检测DT[Bi(tk)]≥6dB,则说明i方向有目标。按照上述过程,假设检测到了Q个目标,方位分别表示为θq(k=1,2,…,Q)。
[0088] 步骤4:对应图1中的步骤105、步骤106、步骤107、步骤108,对检测到的每个目标θq(k=1,2,…,Q),对其附近15°范围的方位做子阵聚焦MVDR波束形成,具体过程如下。
[0089] 将线列阵划分为4个子阵,每个子阵含有8个阵元,第n个子阵接收信号的频域矢量X'n表示为:
[0090]
[0091] 其中,Xm(f)=[Xm(fmin) Xm(fmin+1) … Xm(fmax)]。
[0092] 对各子阵频域阵列信号作波束方向相位补偿,得到子阵输出波束为:
[0093] Yn(θ)=[Yn(θ,f1) Yn(θ,f2) … Yn(θ,fK)]H
[0094] 其中,Yn(θ,fk)=a(θ,fk)X'n(fk)
[0095] 子阵方向矢量为:
[0096] 将Yn(θ)视为第n个虚拟阵元的阵元信号,得到虚拟阵的阵列信号为:
[0097] Y(θ)=[Y1(θ); Y2(θ); …; YN(θ)]
[0098] 按照平面波假设,以第一个子阵为基准,对每一个子阵进行延时聚焦:
[0099]
[0100] 其中
[0101] 从而得到子阵聚焦对齐后虚拟阵的协方差矩阵估计为:
[0102]
[0103] 其中,
[0104] 则θ方向的输出功率谱估计为:
[0105]
[0106] 其中,最优权向量
[0107] 这样得到子阵聚焦MVDR的波束输出:PSA-MVDR(θl')(l'=q-7,…,q,…,q+7)。
[0108] 步骤5:对应图1中的步骤109,对子阵聚焦MVDR得到的波束曲线进行方位检测,得到更精确的目标方位θq'(q=1,2,…,Q)。
[0109] 步骤6:对应图1中的步骤110,输出精确的目标方位θq'(k=1,2,…,Q)。
[0110] 步骤7:重复以上步骤。
[0111] 附图3给出了方位历程处理结果,图3a是方位粗估的结果,图3b是进行子阵聚焦MVDR波束形成算法精确估计的结果,可以看出,进行二次子阵聚焦MVDR波束形成后,目标波束更加精细。将方位历程图中标记的波束切片放大,波束曲线如附图4所示,这两个目标的方位相隔4°,通过普通波束形成只能快速初步估计目标方位,而不能将其分辨开。选定目标方位附近15°的区域,进一步采用子阵聚焦MVDR波束形成,两个目标能够被准确分辨开,效果很好。
[0112] 为了说明本发明的实时处理优势,专统计了matlab程序处理试验数据需要的时间长度。信号采样率fs=30000Hz,数据快拍长度为2048点,对于30阵元线列阵,将其划分成4个子阵,常规波束形成耗时47.6ms,子阵聚焦MVDR算法耗时418.5ms,而本发明耗费时间为57.1ms,算法实时性同常规波束形成相当,实时性很高,实际上,长度为2048点的快拍数据对应时间长度为2048/fs=68ms。可以看出,采用本发明完全可以实时处理试验数据,并且具有较高的目标分辨能力。
[0113] 总之,本发明能够实现实时获高精度的波束形成,快速获取精确的目标方位。
[0114] 最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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