[發明專利]一種波束形成方法

在審

• 申請號: 201410831811.6
• 申請日: 2014-12-26
• 公開（公告）號: CN105785322A
• 公開（公告）日: 2016-07-20
• 發明（設計）人: 鄭恩明;陳新華;余華兵;李媛;孫長瑜
• 申請（專利權）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: G01S7/00
• 分類號: G01S7/00;G01S3/00
• 代理公司: 北京方安思達知識產權代理有限公司 11472
• 代理人: 王宇楊;楊青

1.一種波束形成方法，包括：

步驟1)、對接收陣中的各個陣元所接收的數據做傅里葉變換分析，然后對傅里 葉變換分析所得到的結果進行相位補償、累加，各陣元在頻率單元f處累加數據；最 后對所述累加數據做共軛相乘，從而得到方位θ處的能量；由所述方位θ處的能量計 算出頻率f處的各陣元接收數據協方差矩陣，將該協方差矩陣記為第一協方差矩陣；

步驟2)、對第一協方差矩陣做M階次傳感器互相關處理，得到包括虛擬陣元與 原始陣元的虛擬后線陣；其中，M的初始值為1；

步驟3)、對步驟2)所得到的虛擬后線陣做常規波束形成，得到M階次傳感器 互相關CBF，對所述M階次傳感器互相關CBF做目標方位估計，得到該虛擬后線陣 中各個陣元在方位θ處的能量；由虛擬后線陣中各個陣元在方位θ處的能量計算出頻 率f處的虛擬后線陣中各陣元接收數據協方差矩陣；

步驟4)、判斷當前的M階次傳感器互相關CBF在-3dB處的主瓣寬度是否達到 用戶所要求的分辨力，若尚未達到，令步驟3)所得到的頻率f處的虛擬后線陣中各 陣元接收數據協方差矩陣作為第一協方差矩陣并將M的值增1后重新執行步驟2)， 否則，結束操作。

2.根據權利要求1所述的波束形成方法，其特征在于，所述步驟1)包括：

步驟1-1)、接收陣中的各個陣元所接收的數據x_i(t)表示為：

x_i(t)＝s(t+Δτ_i)+n_i(t),0≤i≤N-1(1)；

式中，s(t)為目標輻射信號，t為時刻，Δτ_i＝d·i·cos(θ₀)/c為目標輻射信號到第 i陣元相比到第0號參考陣元的時延差，i為陣元號，d為陣間距，c為參考聲速，n_i(t) 為第i陣元在t時刻接收的背景噪聲；

步驟1-2)、對所接收的數據x_i(t)做傅里葉變換分析得：

Xi(f)=FFT(xi(t))=FFT(s(t+Δτi)+ni(t))=S(f)ej2πfΔτi+Ni(f),(0≤i≤N-1,fl≤f≤fh)---(2)]]>

式中，f_l為濾波器頻帶下限，f_h為濾波器頻帶上限；

步驟1-3)、然后對步驟1-2)所得到的X_i(f)進行相位補償、累加，得各陣元在 頻率單元f處累加數據：

Y(f)=Σi=0N-1Xi(f)·e-j2πfτi(θ)=Σi=0N-1S(f)ej2πfΔτi·e-j2πfτi(θ)+Σi=0N-1Ni(f)e-j2πfτi(θ),---(3)]]>

式中，τ_i(θ)＝d·i·cos(θ)/c為進行相位補償所設第i陣元相比第0號參考陣元的時 延差；

步驟1-4)、對步驟1-3)所得到的Y(f)進行共軛相乘，得方位θ處的能量為P(θ)， 然后將P(θ)改寫為A(θ)R(f)A^H(θ)的形式；

P(θ)的計算公式如下：

P(θ)=Y(f)·Y*(f)={Σi=0N-1S(f)ej2πfΔτi·e-j2πfτi(θ)+Σi=0N-1Ni(f)e-j2πfτi(θ)}·{Σi=0N-1S(f)ej2πfΔτi·e-j2πfτi(θ)+Σi=0N-1Ni(f)e-j2πfτi(θ)}*=A(θ)RSS(f)AH(θ)+A(θ)RSN(f)AH(θ)+A(θ)RNS(f)AH(θ)+A(θ)RNN(f)AH(θ)=A(θ)R(f)AH(θ),---(4);]]>

式中，(·)^*為共軛，(·)^H為共軛轉置，A(θ)、R_SS(f)、R_SN(f)、R_NS(f)、R_NN(f)如 下式所示：

A(θ)=[e-j2πfτ0(θ),e-j2πfτ1(θ),···,e-j2πfτN-1(θ)],---(5A)]]>

RSS(f)=[S(f)ej2πfΔτ0,S(f)ej2πfΔτ1,···,S(f)ej2πfΔτN-1]T·[S(f)ej2πfΔτ0,S(f)ej2fΔτ1,···,S(f)ej2πfΔτN-1]*,---(5B)]]>

RSN(f)=[S(f)ej2πfΔτ0,S(f)ej2πfΔτ1,···,S(f)ej2πfΔτN1]T·[N0(f),N1(f),···,NN-1(f)]*,---(5C)]]>

RNS(f)=[N0(f),N1(f),···,NN-1(f)]T·[S(f)ej2πfΔτ0,S(f)ej2πfΔτ1,···,S(f)ej2πfΔτN-1]*,---(5D)]]>

RNN(f)=[N0(f),N1(f),···,NN-1(f)]T·[N0(f),N1(f),···,NN-1(f)]*,---(5E)]]>

式中，(·)^T為轉置，一般情況下，信號和背景噪聲是不相關的，數據經分段處理 后累加得：N_i(f)S^*(f)≈0,(0≤i≤N-1)、則R_SN(f)≈R_NS(f)≈0，R(f) 如式(6)所示：

R(f)=RSS(f)+RSN(f)+RNS(f)+RNN(f)≈RSS(f)+RNN(f)S(f)S*(f)+N0(f)N0*(f),S(f)S*(f)ej2πfΔτ0-j2πfΔτ1+N0(f)N1*(f),···,S(f)S*(f)ej2πfΔτ0-j2πfΔτN-1+N0(f)NN-1*(f)S(f)S*(f)ej2πfΔτ1-j2πfΔτ0+N1(f)N0*(f),S(f)S*(f)+N1(f)N1*(f),···,S(f)S*(f)ej2πfΔτ1-j2πfΔτN-1+N1(f)NN-1*(f)···SfS*(f)ej2πfΔτN-1-j2fΔτ0+NN-1(f)N0*(f),S(f)S*(f)ej2πfΔτN-1-j2πfΔτ1+NN-1(f)N1*(f),···,S(f)S*(f)+NN-1(f)NN-1*(f),---(6).]]>