[發明專利]一種基于MIMO的高分辨水下目標探測裝置及方法

無效

• 申請號: 201110427907.2
• 申請日: 2011-12-19
• 公開（公告）號: CN102608609A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 潘翔;郭小虎
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01S15/04
• 分類號: G01S15/04;G01S7/539
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 陳昱彤

1.一種基于MIMO的高分辨水下目標探測裝置，其特征是，包括：

信號發射機，用于發射正交信號；

功率放大器，用于將正交信號進行功率放大；

發射換能器陣，用于將放大后的正交信號由電信號轉化為聲信號，并將聲信號發射至欲探測水域；

接收水聽器陣，用于接收所述發射換能器陣發射的聲信號的回波，并將所述聲信號的回波轉換為電信號；

信號接收機，用于接收并存儲所述接收水聽器陣所轉換的電信號；

信號處理器，用于接收來自信號接收機收的電信號，并對該電信號進行MIMO處理，得到MIMO波束模式；利用式(1)對MIMO波束模式進行估計，得到潛在目標的方位，然后利用式(2)所示的廣義似然比檢測器檢測所述潛在目標的方位上是否真實存在目標：

θ^=argminθ,αQ(θ)---(1)]]>

Q(θ^)≥H1<H0δ---(2)]]>

式(1)和(2)中，Q(θ)為MIMO波束模式，θ為目標可能存在的所有方位，α是目標的反射系數，為估計出的潛在目標的方位，為估計出的潛在目標方位上的波束模式值，H₀表示所估計出的潛在目標的方位上不存在真實的目標，H₁表示所估計出的潛在目標的方位上存在真實的目標，δ為廣義似然比檢測器的檢測閾值。

2.一種利用權利要求1的裝置進行高分辨水下目標探測的方法，其特征是，包括如下步驟：

(1)信號發射機發送一組M個相互正交的正交信號，所述正交信號表示為s[n]＝(s₁[n]，s₂[n]，…s_M[n])^T，

并且，所述正交信號滿足式(3)所示的信號正交條件：

1LΣn=0Lsi[n]sj*[n]=1,i=j0,i≠ji,j=1,2···M---(3)]]>

其中，M為≥1的正整數，n表示所述正交信號的第n個時間采樣點，1≤n≤L，L為正交信號的長度，T表示矩陣轉置運算，s_i[n]表示所述M個正交信號s[n]中的第i個，s_j[n]表示所述M個正交信號s[n]中的第j個，s_j^*[n]表示對s_j[n]的共軛運算。

(2)把包含M元發射換能器的發射換能器陣和包含N元接收水聽器的接收水聽器陣放置于欲探測水域中，其中，N為≥1的正整數；相鄰的發射換能器的間距為d_t，相鄰的接收水聽器的間距為d_r，所述發射換能器陣的駕駛向量和接收水聽器陣的駕駛向量分別如式(4)、(5)所示；所述功率放大器將信號發射機所發射的M個正交信號s[n]放大后發送至所述發射換能器陣，所述發射換能器陣將放大后的正交信號由電信號轉化為聲信號，并將該聲信號發射至欲探測水域；同時所述接收水聽器陣接收發射換能器陣所發射的聲信號的回波，并將所述聲信號的回波轉換為如式(6)所示的電信號：

at(θ)=[1,e-j2πfdtsinθ/c,...,e-j2πf(M-1)dtsinθ/c]T---(4)]]>

ar(θ)=[1,e-j2πfdrsinθ/c,...,e-j2πf(N-1)drsinθ/c]T---(5)]]>

式(4)和式(5)中，a_t(θ)為發射換能器陣的駕駛向量，a_r(θ)為接收水聽器陣的駕駛向量，M為所述發射換能器陣的陣元個數，N為所述接收水聽器陣的陣元個數，j為復數單位，d_t為相鄰的發射換能器的間距，d_r為相鄰的接收水聽器的間距，f為信號發射機發射的正交信號的頻率，c為水的聲速，θ為目標可能存在的所有方位，T表示矩陣轉置運算；

r[n]＝αa_r(θ)a_t^T(θ)s[n]+w[n]，l≤n≤L????(6)

式(6)中，r[n]為接收水聽器陣接收的電信號，θ為潛在目標所在的方位，α為目標的反射系數，w[n]為接收水聽器陣接收的與發射信號不相關的加性噪聲向量，a_t^T(θ)表示對a_t(θ)的轉置。

(3)利用式(7)將接收水聽器陣接收的電信號r[n]分別與各個正交信號s_i[n]做匹配濾波處理，得到如式(8)所示的充分統計矩陣，

ηi=ηi1ηi2···ηiNT]]>

=1LΣn=1Lr[n]si*[n]=αar(θ)ati(θ),i=1,2,...M---(7)]]>

式(7)中，s_i[n]表示所述M個正交信號s[n]中的第i個，s_i^*[n]表示對s_i[n]的共軛運算；η_in(n＝1，2…N)是第i元的充分統計向量η_i的第n個元素，α_ti(θ)(i＝1，2，...M)是發射駕駛向量a_t(θ)的第價元素；

E=η1η2···ηM=1LΣn=1Lr[n]sH[n]---(8)]]>

式(8)中，E表示充分統計矩陣，s^H[n]表示對s[n]做共軛轉置運算；

將所述充分統計矩陣利用式(9)進行列向量化處理，得到擴展的如式(10)所示的充分統計向量η：

η＝vec([η₁?η₂?…?η_M])???????(9)

η=vec(1LΣn=1Lr[n]sH[n])]]>

=vec(1LΣn=1L(αar(θ)atT(θ)s[n]+w[n])sH[n])---(10)]]>

=αvec(ar(θ)atT(θ)+1LΣn=1Lw[n]sH[n])]]>

=αd(θ)+v]]>

式(9)和式(10)中，vec表示矩陣列向量化運算，s^H[n]表示對s[n]做共軛轉置運算，a_t^T(θ)表示對a_t(θ)的轉置，v為服從分布為v～N^c(0，σ_w²I_NM)的復高斯噪聲，其中，σ_w²是噪聲功率，I_NM是秩為MN的單位矩陣，d(θ)＝vec(a_r(θ)a_t^T(θ))為長度MN×1的接收水聽器陣的響應向量。

(4)根據步驟(3)得到的擴展的充分統計向量η，由式(11)得到MIMO波束模式圖，并由式(12)得到潛在目標所在方位的最大似然估計

Q(θ)=|dH(θ)η|2||d(θ)||2=|arH(θ)Σn=1Lr[n]s[n]Hat*(θ)|2L||ar(θ)||2||at(θ)||2---(11)]]>

θ^=argminθ,αQ(θ)---(12)]]>

式(11)和式(12)中，Q(θ)為MIMO波束模式，θ為目標可能存在的所有方位，a_t(θ)為發射換能器陣的駕駛向量，a_r(θ)為接收水聽器陣的駕駛向量，||||表示向量求模運算，||為求絕對值運算，L為發射正交信號長度，a_r^H(θ)表示對a_r(θ)做轉置共軛運算，a_t^*(θ)表示對a_t(θ)做共軛運算，α表示目標的反射系數，表示潛在目標所在方位的最大似然估計。

(5)根據式(13)判斷在步驟(4)所估計出的潛在目標的方位處是否真實存在目標：

Q(θ^)≥H1<H0δ---(13)]]>

式(13)中，為估計出的潛在目標方位上的波束模式值，H₀表示所估計出的潛在目標的方位不存在真實的目標，H₁表示所估計出的潛在目標的方位存在真實的目標，δ為廣義似然比檢測器的檢測閾值。