[發明專利]一種分級子陣聚焦MVDR波束形成方法

在審

• 申請號: 201310706004.7
• 申請日: 2013-12-19
• 公開（公告）號: CN104730513A
• 公開（公告）日: 2015-06-24
• 發明（設計）人: 李崢;黃海寧
• 申請（專利權）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: G01S7/539
• 分類號: G01S7/539
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;楊青

1.一種分級子陣聚焦MVDR波束形成方法，該方法將普通快速頻域寬帶波束形成算法與子陣聚焦MVDR算法結合起來，首先由快速頻域寬帶波束形成完成對目標方位粗測，再劃分子陣，最終由子陣聚焦MVDR算法完成對目標方位的精測，實現快速高精度的波束形成。

2.根據權利要求1所述的分級子陣聚焦MVDR波束形成方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

1）首先，對線列陣聲納裝置接收到的數據通過一次時域FFT變換和空域相位補償，完成快速寬帶頻域波束形成，完成對目標方位的初步估計；

2）然后，對普通波束形成曲線進行峰值檢測，發現目標后，對頻域陣列信號進行子陣劃分，并且只對目標附近的方位做子陣聚焦MVDR波束形成，進行二次方位檢測，得到更精確的目標方位。

3.根據權利要求2所述的分級子陣聚焦MVDR波束形成方法，其特征在于，所述線列陣聲納裝置由多個水聽器陣元組成，是一條拖曳陣或是舷側陣；設水聽器陣元數目N，陣元間距d，目標入射方向θ，陣元接收信號表示為x(t)，信號頻帶范圍為f_min～f_max；聲速為c，數據快拍長度為L。

4.根據權利要求3所述的分級子陣聚焦MVDR波束形成方法，其特征在于，所述方法的具體步驟如下：

11）線列陣數據輸入；

線列陣聲納裝置接收空間信號，得到M個陣元的時域信號，取L采樣點長度的數據形成一個數據快拍，作為數據輸入：

X(t)＝[x₁(k)?x₂(k)?…?x_M(k)]^T；

其中，x_m(k)＝[x_m(1)?x_m(2)?…?x_m(L)]；

12）快速寬帶頻域波束形成；

對數據快拍X(t)在頻帶范圍f_min～f_max內做快速頻域寬帶波束形成：

首先，對陣列信號X(t)的每一個陣元信號做時域FFT，截取f_min～f_max范圍的頻域信號表示如下：

X(f)＝[x₁(f)?x₂(f)?…?x_M(f)]^T；

其中，x_m(f)＝[x_m(f_min)?…?x_m(f_max)]；

對不同頻率分量f_i構造導引矢量：

w(fi,θl)=1e-j2πfidcos(θl)/c...e-j2πfi·(M-1)·dcos(θl)/c;]]>

然后，進行相位補償，得到各個頻率分量的波束輸出：

y(f,θ_l)＝w(f_i,θ_l)X(f)；

最后，將不同頻率分量的各個波束輸出進行平方相加得到波束圖：

PCBF(θl)=y(f,θl)·y*(fi,θl)=Σi=minmaxy(fi,θl)·y*(fi,θl),l=1,2,...,180;]]>

21）一次方位檢測；

對于波束曲線P_CBF(θ_l)(l＝1,2,…,180°)進行方位檢測，首先，對波束曲線進行峰值檢測，對每一個峰值計算檢測系數DT：

DT=20lgPCBF(θpeak)-E[PCBF(θl)]δ[PCBF(θl)];]]>

其中，P_CBF(θ_peak)表示目標峰值，E[P_CBF(θ_l)]表示波束曲線的均值，δ[P_CBF(θ_l)]表示波束曲線的起伏值；

假設檢測到了Q個目標，方位分別表示為θ_q(k＝1,2,…,Q)；

22）子陣聚焦MVDR波束形成；

對檢測到的每個目標θ_q(k＝1,2,…,Q)，對其附近的方位做子陣聚焦MVDR波束形成：

將線列陣劃分為N個子陣，每個子陣含有M_s個陣元，則有

最后，一個子陣長度為：

定義x'_n(t)表示第n個子陣的時域陣列信號，則第n個子陣接收信號的頻域矢量X'_n表示為：

X′n=X(n-1)Ms+1(f);X(n-1)Ms+2(f);...;X(n-1)Ms+Ms(f);]]>

其中，X_m(f)＝[X_m(f₁)?X_m(f₂)?…?X_m(f_K)]，K表示頻率分量的數目；

對觀測方向θ，構造頻點f_k對應的子陣方向矢量為：

a(θ,fk)=1e-j2πfkdcos(θ)/c...e-j2πfk(Ms-1)·dcos(θ)/cT;]]>

對各子陣頻域陣列信號作波束方向相位補償，得到子陣輸出波束為：

Y_n(θ)＝[Y_n(θ,f₁)?Y_n(θ,f₂)?…?Y_n(θ,f_K)]；

其中，Y_n(θ,f_k)＝a^H(θ，f_k)X'_n(f_k)；

將Y_n(θ)視為第n個虛擬陣元的陣元信號，則虛擬陣的陣列信號表示為：

Y(θ)=[Y₁(θ);?Y₂(θ);?…;?Y_N(θ)]；

按照平面波假設，以第一個子陣為基準，對每一個子陣進行延時聚焦：

Y^n(θ)=Yn(θ)·eye[a^n];]]>

其中，a^n=e-j2πf1(n-1)Msdcos(θ)/ce-j2πf2(n-1)Msdcos(θ)/c...e-j2πfK(n-1)Msdcos(θ)/c;]]>

這樣，得到子陣聚焦對齊后虛擬陣的協方差矩陣估計為：

R^(θ)=1MY^(θ)·Y^H(θ);]]>

其中，Y^(θ)=Y^1(θ);Y^2(θ);...;Y^M(θ);]]>

則θ方向的輸出功率譜估計為：

PSA-MVDR(θ)=wH(θ)R^-1(θ)w(θ)=11H·R^-1(θ)·1;]]>

其中，最優權向量w(θ)=R^-1(θ)·11H·R^-1(θ)·1;]]>

23）對子陣聚焦MVDR得到的波束曲線P_SA-MVDR(θ)進行二次方位檢測，得到更精確的目標方位θ_q'(k＝1,2,…,Q)并輸出。