一种扩展的拖曳阵宽带频域逆波束形成方法 |
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| 申请号 | CN201310625419.1 | 申请日 | 2013-11-28 | 公开(公告)号 | CN104678376A | 公开(公告)日 | 2015-06-03 |
| 申请人 | 中国科学院声学研究所; | 发明人 | 王朋; 李峥; 黄勇; 刘纪元; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种扩展的拖曳阵宽带频域逆波束形成方法，包括：采用扩展拖曳阵 算法 获得被动合成孔径的时域 信号 ；将被动合成孔径的时域信号做傅里叶变换，得到某一时刻扩展拖曳阵中各个阵元的频域快拍信号；根据频域快拍信号，分多个频点求各个频点上的空间相关函数；对各个频点的空间相关函数进行 相位 补偿求和，得到各个频点的声场 指向性 函数；由一频点的声场指向性函数得到该频点的扩展阵频域宽带逆波束形成结果，将所有频点的扩展阵频域宽带逆波束形成结果进行 叠加 ，得到宽带逆波束形成的结果。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种扩展的拖曳阵宽带频域逆波束形成方法，包括： |
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| 说明书全文 | 一种扩展的拖曳阵宽带频域逆波束形成方法技术领域背景技术[0002] 随着水下远程探测技术的发展，线列阵越来越广泛地应用到水下目标探测当中，拖曳阵及舷侧阵的探测性能也受到关注。线列阵波束形成技术的分辨率和输出信噪比都与线阵的孔径长度及目标的辐射频率有着紧密联系。提高线阵对低频目标的方位分辨率需增加孔径长度，然而，在现实中不可能无限制地增加物理孔径长度来获得高分辨率。因此合成孔径技术的出现有效的解决了孔径不足的问题。 [0003] 随着合成孔径技术的发展，提出了多种被动合成孔径算法，包括Yen和Carey提出的合成方法、Stergiopoulos和Sullivan提出的ETAM算法、Stergiopoulos和Urban提出的快速傅里叶变换算法（FFTSA）以及一系列针对上述算法的改进算法。Yen和Carey提出的合成方法需要预先获得接收阵和目标的相对运动速度，这给该方法的实际应用带来很大不便。FFTSA方法是针对上述问题进行改进的方法，该方法无需上述的先验知识，ETAM方法也具有这样的优点。研究表明ETAM方法是经典方法当中最优的处理方法。但该方法存在低信噪比情况下性能急剧下降、多目标检测产生偏差的问题。 发明内容[0004] 本发明的目的在于克服现有技术中的合成孔径方法在低信噪比情况下性能急剧下降、多目标检测产生偏差的问题，从而提供一种在低信噪比情况下仍然可以获得较高的方位分辨率，并对多目标检测有所改善的方法。 [0005] 为了实现上述目的，本发明提供了一种扩展的拖曳阵宽带频域逆波束形成方法，包括： [0007] 步骤2）、将步骤1）得到的合成孔径的时域信号做傅里叶变换，得到某一时刻扩展拖曳阵中各个阵元的频域快拍信号； [0008] 步骤3）、根据步骤2）得到的频域快拍信号，分多个频点求各个频点上的空间相关函数； [0010] 步骤5）、由一频点的声场指向性函数得到该频点的扩展阵频域宽带逆波束形成结果，将所有频点的扩展阵频域宽带逆波束形成结果进行叠加，得到宽带逆波束形成的结果。 [0011] 上述技术方案中，所述步骤3）包括： [0012] 步骤3-1）、由步骤2）得到的频域快拍信号求取在一频点下、合成孔径中任意两个阵元的互相关矩阵： [0013] 步骤3-2）、对步骤3-1）所得到的互相关矩阵进行Toeplitz平均处理，得到该频点的空间相关函数。 [0014] 上述技术方案中，所述步骤5）包括： [0015] 步骤5-1）、对步骤4）得到的频点的声场指向性函数进行离散化处理，得到频点扩展阵频域宽带逆波束形成结果； [0016] 步骤5-2）、对所有频点的扩展阵频域宽带逆波束形成结果进行叠加，得到宽带逆波束形成的结果。 [0017] 本发明的优点在于： [0018] 1、本发明的方法在低信噪比情况下仍然可以获得较高的方位分辨率，并对多目标检测有所改善。 [0019] 2、本发明基于ETAM技术与宽带频域逆波束形成方法进行了有效的结合，形成了一种新型被动合成孔径技术。有效的提高了被动合成孔径技术的探测性能，克服了传统的ETAM技术在低信噪比下性能急剧下降的问题，与ETAM对比获得了更高的方位分辨率，同时对于多目标和弱目标检测能力也更为优异。附图说明 [0020] 图1是扩展拖曳阵算法的基本原理图； [0021] 图2是声信号入射的示意图； [0022] 图3是SNR=0dB下，本发明方法与现有技术方法的方位估计情况比较图； [0023] 图4是SNR=-20dB下，本发明方法与现有技术方法的方位估计情况比较图； [0024] 图5是现有技术中的ETAM方法、时域平均ETAM与本发明方位在估计精度上的对比图； [0025] 图6是现有技术中的方法与本发明方法在多目标方位估计(70、75度)上的比较示意图； [0026] 图7是现有技术中的方法与本发明方法在多目标方位估计(70、72度)上的比较示意图； [0027] 图8是本发明方法在不同信噪比下的多目标分辨率(70、75度)示意图； [0028] 图9是现有技术中的方法与本发明方法的海试数据方位估计情况比较示意图； [0029] 图10是现有技术中的ETAM方法、时域平均ETAM方法与本发明方法的方位历程图； [0030] 图11是本发明方法的流程图。 具体实施方式[0031] 现结合附图对本发明作进一步的描述。 [0032] 本发明的扩展拖曳阵宽带频域逆波束形成方法以现有技术中的扩展拖曳阵算法（ETAM）为基础，利用该算法进行孔径扩展获得虚拟孔径，然后通过逆波束形成方法进行虚拟孔径的波束形成。与现有技术的ETAM相比，本发明有效地抑制了噪声干扰，获得更优的探测性能。 [0033] 为了便于理解，下面首先对ETAM进行介绍。 [0034] 根据声源信号时间、空间相关性的理论和试验研究表明，对匀速运动的线列阵进行孔径合成，低频水声信号的时空相关性是完全足够的，即：阵接收信号的空间相关长度大于合成孔径的积分长度，相邻两次快拍中信号的时间相关长度也能满足相位补偿因子的求解要求。图1为ETAM的基本原理图，在相隔时间为τ的两个连续的快拍上，在对声场进行空间采样时，共有N-q对阵元有相同的空间位置（其中N表示拖曳阵的阵元数，q表示拖曳阵在运动前后两个时刻空间位置不重叠的阵元的个数），它们之间相差一个相位因子。对这N-q对重叠阵元求互相关，就可以得到所需的相位修正因子，补偿由于观测时延以及声场起伏、拖曳阵的不规则运动或声源目标的相对移动引起的相位扰动，这种方法称为重叠相关器，即扩展拖曳阵（ETAM）被动合成孔径方法。 [0035] 重叠阵元的个数决定了相位修正因子的精确性，最优重叠阵元数目是N/2。所以每一次的ETAM合成孔径可以获得N/2个虚拟阵元。如果拖曳阵直线运动时间为T，可以进行孔径合成的次数为 [0036] [0037] 孔径合成后的阵元数M和孔径长度L分别为： [0038] [0039] L＝(M-1)*d＝Nd+Tv (3) [0040] 扩展得到的实际物理孔径等于这段时间内拖曳阵移动的距离。本文采用频域求解相关因子，所以在第k和k+1快拍之间，频率fi对应相位修正因子表示为： [0041] [0042] 其中，中心频率为fi的窄带信号，带宽表示为fi-Δf/2＜fi＜fi+Δf/2，系数[0043] [0044] 表示归一化互相关因子，它作为公式（4）的权重因子，用于优化相位修正因子。 [0045] 假设声源辐射信号的频率范围为fmin～fmax，根据公式（1）—（5），对t+Kτ时刻这一频率范围内的快拍信号进行相位补偿，可以虚拟得到t时刻N+(K-1)*N/2+1～N+K*N/2阵元的频域快拍信号，从而完成孔径扩展。在上述相位补偿过程中，值得注意的一点是：相位修正因子ψk(fi)具有累积性，也就是说对t+kτ时刻的信号，进行k次相位修正才能虚拟得到t时刻的扩展孔径信号： [0046] [0047] 试验验证ETAM合成孔径算法的性能：对于窄带信号或者主动声纳系统的调频脉冲信号（LFM），ETAM算法中的重叠相关器能够有效地补偿速度扰动，并且有效扩展线列阵的物理孔径次数超过8次（合成次数与信号空间相关性有关）；ETAM的信噪比门限值约是-8dB/Hz，信噪比大于这个门限时，ETAM能够突破CRLB的理论限制，获得和最大似然估计相媲美的方位分辨率。 [0048] 现有技术中的波束形成（Conventional Beamforming，CBF）算法受到基阵尺寸的限制，在低信噪比情况下信号的检测性能有所下降，并且高分辨算法受到干扰噪声及信号相干等方面的限制。20世纪70年代Bucker提出利用阵元接收信号间的互功率谱中存在的方位信息进行声波强度的估计，称之为逆波束形成方法（Inverse Beamforming，IBF）。逆波束形成是直接利用各阵元接收信号的空间相关性求解声场的指向性，逆波束形成表达式是逆波束形成积分方程的解。20世纪90年代，Wilson和Nuttall等人推导了逆波束形成积分方程的数值解，称之为傅里叶级数解（Fourier Series Methods，FSM），进一步的推导得到傅里叶积分方法（Fourier Integral Method，FIM）。 [0049] 假设声场是宽平稳的，且声场指向性用N(f,θ,φ)表示，f表示频率，(θ,φ)表示声场的空间方向。如图2所示。M个阵元的阵列，为了估计指向性函数N(f,θ,φ)，定义任意两个阵元间的互功率谱函数为Gkj(f)，1≤k,j≤M。建立Gkj(f)与N(f,θ,φ)之间的关系，N(f,θ,φ)是以(θ,φ)为中心的dθdφsinθ立体角范围内的能量密度谱，用dθdφsinθN(f,θ,φ)表示。τk(θ,φ)表示第k个阵元接收的信号与参考阵元的时延，假设不同方向的噪声是不相关的，则第k，j两个阵元输出的互功率谱Gkj(f)表示为： [0050] [0051] 由于τk(θ,φ)＝(dk/c)cosθ，1≤k≤M。c是声速。所以： [0052] [0053] [0054] 其中1≤k,j≤M， [0055] 对于线性基阵dk＝kd，1≤k≤M，d表示阵元间距。公式(8)可以表示为： [0056] [0057] [0058] 其中u＝cosθ。简化上式可得： [0059] [0060] 其中 [0061] [0062] 最后，得到空间相关函数与声场指向性函数为： [0063] [0064] 公式(12)看作是空间相关函数C(p)与声场指向性函数B(u)的积分方程，空间指向性函数C(p)＝C*(-p)，|p|≤M。假设公式(12)中的空间相关矩阵C(p)对于所有的p值都是可得到的，而不仅仅局限于|p|≤M范围内。对于公式(12)两边同乘exp(j2πfdpus/c)，并且两边进行所有p值的积分。可得： [0065] [0066] [0067] [0068] [0069] 得到声场指向性函数和空间相关函数的关系如下： [0070] [0071] 以上是对声场指向性函数和空间相关函数间关系的推导过程，两者间的这一关系将用于本发明的方法。 [0072] 参考图11，本发明的方法包括以下步骤： [0073] 步骤1）、采用扩展拖曳阵算法计算被动合成孔径的时域信号； [0074] 在前文中已经对如何利用扩展拖曳阵算法计算合成孔径的时域信号做了描述，此处不再重复。所得到的时域信号的表达式如之前的公式（6）所示。 [0075] 步骤2）、将步骤1）得到的合成孔径的时域信号做傅里叶变换，得到某一时刻合成N+N/2×K个阵元的频域快拍信号；该频域快拍信号的表达式如下： [0076] [0077] 步骤3）、对步骤2）得到的频域快拍信号求各个频点的空间相关函数；该步骤可进一步包括： [0078] 步骤3-1）、由步骤2）得到的频域快拍信号求取在某一频点fi下、阵元k,l的互相关矩阵： [0079] [0080] [0081] 步骤3-2）、对步骤3-1）所得到的互相关矩阵G(fi,m)进行Toeplitz平均处理，得到频点fi的空间相关函数，该空间相关函数的表达式为： [0082] [0083] 步骤4）、对步骤3）得到的各个频点的空间相关函数进行相位补偿求和，得到各个频点的声场指向性函数； [0084] 在前文中已经对声场指向性函数和空间相关函数的关系做了推导，由此可得到所述声场指向性函数的表达式如下： [0085] [0086] 步骤5）、由频点的声场指向性函数得到该频点的扩展阵频域宽带逆波束形成结果，将所有频点的扩展阵频域宽带逆波束形成结果进行叠加，得到宽带逆波束形成的结果。该步骤包括： [0087] 步骤5-1）、对步骤4）得到的频点的声场指向性函数进行离散化处理，得到频点扩展阵频域宽带逆波束形成结果；以频点fi为例，由该频点的声场指向性函数所得到的扩展阵频域宽带逆波束形成结果为： [0088] [0089] 步骤5-2）、对所有频点的扩展阵频域宽带逆波束形成结果进行叠加，得到宽带逆波束形成的结果。所述宽带逆波束形成的结果表示为： [0090] [0091] 下面通过仿真实验对本发明方法的效果加以陈述。 [0092] 仿真条件：为了分析本发明提出的扩展阵宽带逆波束形成技术的性能，通过与现有技术中的ETAM和时域平均ETAM进行对比研究。采用仿真的LFM信号模拟水下宽带信号，信号的频率范围是100-500Hz，阵元数为32个，阵元间隔为2.5m，重叠阵元数为16，合成次数为10次，最后合成阵元个数为192个。 [0093] 仿真信号目标方位为70度，信噪比SNR=0dB、-20dB，采用本发明方法和时域平均ETAM估计结果如图3、图4所示；图3、图4表明，采用本发明方法（即图中的ETAM192阵元-FIM）可以获得更高的分辨率和更低的旁瓣级，具有更高的信干比。在信噪比由0dB到-20dB的情况下，其他方法对于方位估计的旁瓣级都有很高的提升，本发明方法对于抑制旁瓣级有非常明显的效果，在低信噪比情况下（参考图4所示），本发明方法有着较为明显的优势，这对于高环境噪声下的弱目标检测提供了有效的保证。 [0094] 为了验证不同信噪比下本发明提出的合成孔径方法（即ETAM-BFIM方法）的方位估计精度，阵元的目标信号加不同的信噪比高斯白噪声信号产生一系列仿真数据，并且通过1000次蒙特卡洛方法分析和比较了本发明方法的性能。图5表明，传统ETAM、时域平均ETAM和本发明方法（即图中的ETAM-FIM）三种方法在不同信噪比情况下对目标方位估计的精度有一定的差异，方位估计精度用角度的均方根误差表示，单位为度，本发明方法可以获得更低的信噪比检测门限，在较低信噪比情况下仍然可以高精度的估计出信号的方位，比传统的ETAM信噪比检测门限提高了10dB。 [0095] 本发明提出的方法不仅对单目标信号的方位估计效果有明显优势，对于多目标信号的估计的优势也很显著，如图6所示是采用本发明方法对目标方位为70度、75度，信噪比SNR=0dB情况下估计结果；图7所示是采用本发明方法对目标方位为70度、72度，信噪比SNR=0dB情况下估计结果。图6表明，本发明的方法（即图中的ETAM192阵元-FIM）可以有效的分辨出70度、75度两个方位的目标，并且分辨效果优于作为比较对象的时域ETAM方法；图7显示本发明的方法（即图中的ETAM192阵元-FIM）可以有效分辨出71度、72度两个方位的目标，而作为对比的时域平均ETAM方法却很难分辨相差两度的两个目标。 [0096] 通过1000次蒙特卡洛方法分析不同信噪比下的多目标（70、75度）分辨情况，图8为分辨率曲线。从图中可以看出在信噪比达到-25dB的情况下本发明的方法（即ETAM-FIM）可以以95%的概率分辨出这两个目标，这比传统ETAM和时域平均ETAM等方法的多目标分辨率高。 [0097] 海试实验验证，试验参数：拖曳阵水听器数目M=40，水听器间距d=1m；拖曳阵做匀速直线运动，速度v=3.2m/s，信号采样率fs=2000Hz。目标信号频带范围：20～700Hz，声速c=1516m/s，快拍长度N=2048。需要注意的是：数据长度越长，数据矩阵维数越大，运算速度会相应减慢。为了保证运算速度能够满足实时处理的要求，数据快拍长度不宜过大。一般FFT运算点数在2048点以下能满足要求。 [0098] 图9对比了合成孔径前后，实孔径、时域平均ETAM和本发明方法（即图中的ETAM-BFIM）海试实验数据的波束输出结果。从图中可以清楚看出，本发明提出的方法具有较高的分辨率，波束宽度较其他方法有明显的变窄，并且旁瓣级有明显的降低，使得信号检测变得更加稳健，对于舰船自噪声也有了明显的抑制作用。同时，从图中也可以看到本文的方法旁瓣有一定的波动，这也是逆波束形成技术所具有的问题，可以通过加窗方法来抑制旁瓣的波动，但这在一定程度上会增大本发明方法的主瓣宽度，由于经过ETAM方法进行孔径合成已经很好的获得了较窄的波束宽度，所以对本发明方法加窗处理在一定程度上并未影响探测性能和本文降低探测信噪比的主要目的。 [0099] 图10左是对40阵元传统ETAM方法合成140阵元做频域宽带波束形成的方位历程图，图10右是采用本发明方法合成140个阵元得到的海试数据方位历程图，可以看出，本发明方法得到的目标波束非常精细，更加有利于检测远距离微弱目标。图10中部是时域平均ETAM方法合成140孔径宽带波束形成的方位历程，该方法较传统的ETAM方法可以获得更高的分辨率并在低信噪比下有更好的检测性能，该方法与本发明方法进行了对比，可以看出本发明方法具有比时域ETAM方法更高的分辨率和噪声的抑制能力。 [0100] 本发明提出的方法提高了线阵被动探测目标的性能，然而在一定程度上增加了计算量，但经过试验研究表明仍可以满足实时性的要求。通过统计MATLAB程序处理海试实验数据的时间进行实时性分析。实际线列阵阵元个数为40，快拍采样点数为2048点，采样率2KHz，即每个快拍数据对应时间为2048/2000=1024ms。下表是针对处理带宽为50～700Hz，不同合成孔径长度，ETAM-BFIM、ETAM-CBF、METAM算法在PC机(主频为2.5GHz的Pentium(R)双核处理器、2G内存)上处理10次后的平均时间表。表1表明，合成后的孔径越长，所要耗费时间越长；并且METAM方法与本发明方法（即表中的ETAM-BFIM）都要比传统的ETAM方法所需的时间长，METAM方法消耗的时间最长。本发明方法虽然要求的时间多于传统ETAM方法，但仍然能满足实时性的要求，并且获得更好的探测性能。 [0101] 表1（单位：毫秒） [0102] [0103] 本发明的扩展拖曳阵宽带频域逆波束形成方法是一种新型的被动合成孔径方法，通过本文对该方法的理论推导及实验验证，表明，该方法比常规的ETAM方法和时域平均ETAM方法的信噪比检测门限更低，在低信噪比情况下可以有效的检测信号，对弱目标的检测能力有明显的提高，并且该方法对多目标的分辨能力改善显著；通过实时性分析，本发明方法在满足实时性要求的前提下获得了更优的探测性能。本发明通过对该方法的仿真实验、性能测试及海试实验数据处理分析得出该算法是可行的，并且具有更优异的性能。 |
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