基于分布式Phased-MIMO联合处理的目标探测方法 |
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| 申请号 | CN201310695778.4 | 申请日 | 2013-12-15 | 公开(公告)号 | CN103713289A | 公开(公告)日 | 2014-04-09 |
| 申请人 | 浙江大学; | 发明人 | 丁振平; 潘翔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于分布式Phased-MIMO联合处理的目标探测方法。该方法通过将多个子阵分布式地布置在不同的 位置 ，子阵内部通过发射波束形成发射相干 信号 获取相干增益，子阵之间信号相互 正交 照射到目标不同位置获取目标分集，接收阵列通过接收波束形成与匹配滤波对目标实现检测。本发明方法可以获得相干与非相干增益，并且消除干扰、抑制混响，抗目标闪烁特性。在分布式目标，子阵的波束宽度大于目标尺寸的情况下，检测性能优于传统的 相控阵 列。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于分布式Phased-MIMO联合处理的目标探测方法，其特征是，包括如下步骤： |
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| 说明书全文 | 基于分布式Phased-MIMO联合处理的目标探测方法技术领域背景技术[0002] 在进行浅海目标探测时，影响主动探测的主要干扰是混响。混响和目标回波都是由发射信号引起的，它的谱特性在多普勒频移不大的情况下相关性很大。混响的特性还与传播信道有关，由于浅海水声信道的影响，混响也有着空-时变化特性，并呈现出强烈的非平稳性。因此，抗混响是探测水下目标的一个研究难点。另一方面，目标的空间不均匀性也导致了主动声呐探测性能的闪烁不稳定性，单基地的发射阵列对于分布式的目标以及信号的干扰很难保证探测目标的稳定性。 [0003] 过去的十年里，多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，简称“MIMO”）技术在雷达领域的研究发展迅速。传统的相控阵列对信号进行驾驶发射可以获取发射阵列的分集增益，实现对目标的有效聚焦照射，从而达到抗混响，减小干扰影响的目的。同时，分布式的MIMO系统由于其可以获取发射波形分集和目标分集，也在目标探测与定位中得到了广泛的应用。然而由于水声信道的时延和多普勒双扩展，MIMO技术在声呐领域的发展比较缓慢。2006年，I.Bekkerman和J.Tabrikian首次提出了雷达与声呐统一的MIMO处理框架。考虑到水声信道的双扩展，结合相控阵列与MIMO技术，这里提出一种基于宽带信号模型的分布式Phased-MIMO联合处理技术。 发明内容[0004] 本发明的目的是针对现有单基地主动声纳探测技术存在的问题，考虑到混响干扰以及分布式目标的空间特性，提供一种基于分布式Phased-MIMO联合处理的目标探测方法。 [0005] 为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：本发明基于分布式Phased-MIMO联合处理的目标探测方法包括如下步骤： [0006] 1）在发射端布置M个发射子阵，各发射子阵包含Mk个发射换能器阵元；每个发射子阵内的各发射换能器阵元与功率放大器的输出端连接，所述功率放大器的输入端与相应的信号产生设备的输出端连接；各发射子阵内的发射换能器阵元布置成均匀线阵且相邻发射换能器阵元之间的间距小于等于所在的发射子阵的发射信号的半波长的最小值；各发射子阵之间的间距满足式（1）所示的要求： [0007] [0008] 在接收端布置N个接收子阵，每个接收子阵包含Nl个水听器阵元；每个接收子阵内的水听器阵元与相应的信号采集设备连接，各接收子阵内的水听器阵元布置成均匀线阵且相邻水听器阵元之间的间距小于等于相应的发射信号的半波长的最小值；各接收子阵之间的间距满足式（2）所示的要求： [0009] [0010] 其中，M为大于等于1的正整数，Mk为大于等于1的正整数且 Rt表示发射端的相应发射子阵到目标中心的距离，D表示目标的尺寸，dt表示相邻的发射子阵之间的间距，dr表示相邻的接收子阵之间的间距，λmax表示所有发射信号的波长的最大值；N表示大于等于1的正整数，Nl表示大于等于1的正整数且 Rr表示接收端的相应接收子阵到目标中心的距离； [0011] 2）各所述信号产生设备产生发射信号 [0012] 其中，E表示发射信号的总能量， [0013] M表示发射子阵的个数， [0014] 其中，[…]T是转置符号，θk是目标中心到发射子阵k的到达角，k=1,2,...,M，fm是发射子阵k发射的信号的第m个频率，m=1,2,...L，L是每个发射子阵发射的信号的频率数目，c是发射信号的传播速度，dk是发射子阵k内的相邻发射换能器阵元之间的间距，Mk是发射子阵k包含的发射换能器阵元数目，i表示虚数； 2 [0015] {Sk(fm)}表示发射子阵k的发射信号，‖Sk(fm)‖=1/L， [0017] 3）各接收子阵将接收到的相应的发射子阵的发射信号Sk(fm)的回波Rlk(fm)传送给相应的信号采集设备，所述信号采集设备对所接收到的回波Rlk(fm)进行如式（3）所示的接收波束形成： [0018] [0019] 式（3）中，(…)H是共轭转置符号， [0020] 其中，θl是目标中心到接收子阵l的到达角，l=1,2，···，N，dl是接收子阵l内的相邻水听器阵元之间的间距，Nl是接收子阵l包含的水听器阵元数目，i表示虚数； [0021] 将Ylk(fm)按式（4）所示的方法进行匹配： [0022] [0023] 式（4）中，∑表示求和符号，||…||2表示对矢量取模，Sk(fm)表示发射子阵k的发射信号，N是接收子阵的个数，M是发射子阵的个数，L是每个发射子阵发射的信号的频率数目； [0024] 将目标中心到所有各接收子阵的距离Rl所对应的T值绘制成Rl-T二维图像；然后观察Rl-T二维图像，如果在目标中心到接收子阵之间存在峰值，则表明存在目标。 [0025] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：将传统相控式阵列与分布式MIMO系统结合在一起，在获取一定的分辨力从而抑制混响干扰的同时，获取目标分集信息从而达到抗目标闪烁特性，稳定主动声呐探测性能。数值仿真与实验验证，在目标为分布式目标，高信噪比的情况下，Phased-MIMO主动目标探测技术由于传统的相控阵列探测技术。附图说明 [0026] 图1是发射阵列与接收阵列相对于目标的布阵示意图； [0027] 图2（a）是声速随深度变化的曲线图；图2（b）是本发明的一个实施例的环境示意图； [0028] 图3（a）是发射PCW信号对应的Phased-MIMO主动声呐系统的探测输出结果；图3（b）是发射PCW信号对应的Phased-Array主动声呐系统的探测输出结果； [0029] 图4（a）是发射LFM信号对应的Phased-MIMO主动声呐系统的探测输出结果；图4（b）是发射LFM信号对应的Phased-Array主动声呐系统的探测输出结果。 具体实施方式[0030] 本发明方法包括如下步骤： [0031] 1）在发射端布置M个发射子阵，编号为1,..,M，M为大于等于1的正整数。第k（k=1,2,...,M）个发射子阵包含Mk个发射换能器阵元，编号为1,2,...,Mk，Mk为大于等于1的正整数且 Rt表示发射端到目标中心的距离，D表示目标的尺寸。将一个具有M×Mk路的信号产生设备的输出连接一个具有M×Mk路的功率放大器的输入端，功率放大器的输出端连接到M×Mk个发射换能器阵元上。在第k个发射子阵的内部，相邻发射换能器阵元之间的间距dk小于等于第k个发射子阵的发射信号的半波长的最小值，相邻发射子阵之间的间距为dt满足式（1）所示的要求： [0032] [0033] 在接收端布置N个接收子阵，编号为1,..,N，N表示大于等于1的正整数。第l（l=1,2,...,N）个接收子阵包含Nl个水听器阵元，Nl表示大于等于1的正整数且Rr表示接收端到目标中心的距离。第l个接收子阵内部的相邻水听器阵元的间距dl小于等于第l个接收子阵所接收的信号的半波长的最小值，相邻接收子阵之间的间距为dr满足式（2）所示的要求： [0034] [0035] 第k（k=1,2,...,M）个发射子阵内的第q（q=1,2,...,Mk）个发射换能器阵元发射的T第m个频点信号为 其中，[…] 是转置符号，θk是目标中心到 发射子阵k的到达角，k=1,2,...,M，fm是发射子阵k发射的信号的第m个频率，m=1,2,...L，L是每个发射子阵发射的信号的频率数目，c是发射信号的传播速度，dk是发射子阵k内的相邻发射换能器阵元之间的间距，‖Sk(fm)‖2=1/L,m=1,2,...L，‖Si(f)Sj(f)‖=0,i≠j。 写成向量形式为 其中 为第k个发射子阵在频点fm指向目 标中心的驾驶向量。 [0036] 对应第l个接收子阵内的第p个水听器阵元收到的第k个发射子阵发射的信号频率为fm的回波可以表示成： [0037] [0038] 其中， 为第k个发射子阵发射的第m个频点照射到散射体后的等价散射系数；表示发射子阵到目标的传播损失， 分别表示发射子阵到目标，目标到接收子阵的传播损失；写成向量形式为： [0039] [0040] 为目标中心到第l个接收子阵在频点fm的响应矢量； 为零均值的高斯复噪声。 [0041] 3）对于各接收子阵将接收到的相应的发射子阵的发射信号Sk(fm)的回波Rlk(fm)传送给相应的信号采集设备，所述信号采集设备对所接收到的回波Rlk(fm)进行如式（3）所示的接收波束形成： [0042]H [0043] 式（3）中，(…) 是共轭转置符号， [0044] 其中，θl是目标中心到接收子阵l的到达角，l=1,2，···，N，dl是接收子阵l内的相邻水听器阵元之间的间距，Nl是接收子阵l包含的水听器阵元数目，i表示虚数； [0045] 4）步骤3）得到的处理数据可以表示为： [0046] [0047] 定义 表示第m个发射子阵到第j个接收子阵的等价衰减系数，式（7）可重新写为： [0048] [0049] 即式（8）的矩阵形式如式（9）所示： [0050] [0051] 其中，MNL×MNL维对角阵Q如式（10）所示： [0052] [0053] MNL×1维列向量λ如式（11）所示： [0054]2 [0055] MNL×1维列向量 为服从CN(0,σIMNL)分布的复高斯噪声。 [0056] 4)将Ylk(fm)按式（4）所示的方法进行匹配： [0057] [0058] 式（4）中，∑表示求和符号，||…||2表示对矢量取模，Sk(fm)表示发射子阵k的发射信号，N是接收子阵的个数，M是发射子阵的个数，L是每个发射子阵发射的信号的频率数2 目。接收到的信号进行判决有无时，首先确定门限δ，如果接收信号的匹配输出能量||Y||（即公式（4）中的T值）大于门限δ，则判决探测区域内存在目标；否则判决不存在目标。 [0059] 基于NP准则的MIMO检测器由下式（12）给出： [0060] [0061] 根据上述的复高斯噪声以及等价散射系数的统计特性，检验统计量||Y||2服从[0062] [0063] 其中，M0=Mk,k=1,2,...,M，N0=Nl,l=1,2,...,N。门限δ根据虚警概率Pfa（即在目标不存在的情况下误判为存在的概率）选取，即根据式（14）， [0064] [0065] 得到式（15）： [0066] [0067] 此时可以得到的检测概率Pd（即在目标存在的情况下正确判决目标存在的概率）为如式（16）所示： [0068] [0069] 以下以图2所示的环境为例具体说明本发明方法： [0070] 如图1所示，在发射端布置2个发射子阵，编号为1,2；每个发射子阵包含3个发射换能器阵元，编号为1,2,3；每个发射子阵内部相邻发射换能器阵元间距为dk=0.075m，发射子阵之间间距为dt=4m。一台具有6路通道的NI设备的输出连接到一台6路通道的功率放大器，功率放大器的6路输出通道连接到6个发射换能器阵元的输入端。 [0071] 1.5m长的线性目标位于R=22m处，满足 的分布式条件。 [0072] 在接收端布置1个接收子阵，接收子阵包含14个水听器阵元，编号为1,2,...,14,相邻水听器阵元间距为dl=0.075m。 [0073] 信号采样频率fs=50kHz，信号持续时间T=10ms，即信号时间点取值为t=0,1/fs,...,(T-1/fs)。 [0074] 情景1：信号频率为f1=8kHz和f2=6kHz的单频脉冲（PCW）信号，发射子阵1内3个阵元分别发射信号 [0075] [0076] 发射子阵2内3个阵元分别发射信号 [0077] [0078] 情景2：信号频率为6～8kHz和8～10kHz的线性调频（LFM）信号，发射子阵1内3个阵元在时刻to分别发射信号 [0079] [0080] 发射子阵2内3个阵元分别发射信号 [0081] [0082] 其中， 表示对复数取实部，cos（）为余弦函数，d1=0.075m,c≈1450m/s,θ1≈150，i表示虚数；d2=0.075m，θ2≈-150 [0083] 如图2所示的环境由三层组成：水介质层、沉积层和水底层。其中，水深为21.53m，3 密度为ρ=1.0g/cm，声速剖面由图2（a）给出，可以看出在水面，声速变化比较迅速，有比较大的负梯度，在水深10m以下可以基本看成是等声速环境，在等声速环境下发射信号照射到目标的能量较强，有利于提高对目标的检测性能。沉积层厚度为7.343m，密度 3 3 为ρ=2.2g/cm，声速为cs=1624.3m/s。水底为均匀半空间，密度为ρ=3.0g/cm，声速为cs=1792.4m/s。 [0084] 14路水听器接收到回波后转化为电信号传给信号采集设备进行采集存储，记为r(t)。接收信号首先通过波束形成器获取接收阵增益，得到x(t)=α(θ)r(t)，由于水声信道中存在时延多普勒双扩展，对于静止不动的目标（即忽略多普勒影响），采用拷贝相干积分检测器（RCI）来综合考虑由于多径传回的目标回波。即 [0085] [0086] 通过将对应位置输出能量值与周围没有目标的输出能量值进行比较来对目标有无进行判决。在目标位置未知且干扰能量较小的情况下，也可通过此技术找出能量输出最大值对应的位置来实现对目标的定位功能。 [0087] 传统的相控阵列，即在一个位置实现对目标的指向发射以及在一个位置实现对目标的指向接收。以其中一个有3个发射换能器阵元组成的发射子阵为例，发射10ms的8kHz单频脉冲（PCW）信号，或者发射10ms的6～8kHz线性调频（LFM）信号，幅度都是原来幅度的 倍。接收阵列还是采用14路的单个水平阵列，处理方法与Phased-MIMO阵列处理方法一致。 [0088] 从图3、图4可以看出，两种声呐系统都能估计目标的位置：目标真实位置在R=22m，采用PCW信号的Phased-MIMO系统估计值为 Phased-Array系统估计值为 采用LFM信号的Phased-MIMO系统估计值为 Phased-Array系统估计值为 在最大瞬时功率受限的情况下，增长发射信号的脉宽可以提高发射信号能量，提高接收机的输入信噪比，从而提高接收机的检测性能，脉宽的增大同时增大了对距离估计的模糊度。LFM信号可以很好的解决这一矛盾，所以比较图3和图4，可以看出LFM信号对目标位置的匹配结果比PCW信号的结果分辨率要大。同时比较两种系统的相关匹配输出峰值，从图3（a）（b）可以看到采用PCW信号的Phased-MIMO系统在目标位置的输出峰值为2.56×106，大于Phased-Array系统在目标位置的输出峰值（为1.034×106），差异很明显，这是因为Phased-MIMO系统获取到目标的分集增益。 |
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