[發(fā)明專利]一種基于分子陣預(yù)處理的MUSIC波束形成方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810018258.2
• 申請(qǐng)日: 2018-01-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110018466B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-11-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳新華;鄭恩明;李媛;宋春楠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所
• 主分類號(hào): G01S7/539
• 分類號(hào): G01S7/539
• 代理公司: 北京方安思達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11472
• 代理人: 陳琳琳;張紅生

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于分子陣預(yù)處理的MUSIC波束形成方法，所述方法包括：根據(jù)線列陣接收數(shù)據(jù)中信號(hào)和噪聲相關(guān)性的差異，將線列陣中2N?1個(gè)陣元接收數(shù)據(jù)通過(guò)分子陣預(yù)處理轉(zhuǎn)變?yōu)镹個(gè)陣元數(shù)據(jù)；然后再對(duì)N個(gè)陣元數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到MUSIC波束輸出。本發(fā)明方法對(duì)線列陣接收數(shù)據(jù)進(jìn)行了分子陣預(yù)處理，有效提高線列陣接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣中信號(hào)含有量和信噪比，降低了背景噪聲和旁瓣級(jí)對(duì)MUSIC波束形成檢測(cè)弱目標(biāo)帶來(lái)的影響，提高了MUSIC波束形成對(duì)弱目標(biāo)檢測(cè)的檢測(cè)效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及聲納信號(hào)處理領(lǐng)域，特別涉及一種基于分子陣預(yù)處理的MUSIC波束形成方法。

背景技術(shù)

水下目標(biāo)檢測(cè)與估計(jì)是陣列信號(hào)處理的一個(gè)重要分支。波束形成作為陣列信號(hào)處理中核心算法，輸出波束中的背景噪聲和旁瓣級(jí)一直是其設(shè)計(jì)中需要考慮的問(wèn)題。低背景噪聲和旁瓣級(jí)可以有效降低對(duì)位于強(qiáng)目標(biāo)旁瓣區(qū)域內(nèi)弱目標(biāo)檢測(cè)的漏報(bào)概率。

為了對(duì)波束形成輸出背景噪聲和旁瓣級(jí)實(shí)現(xiàn)控制，許多學(xué)者從不同方法對(duì)降低波束形成旁瓣級(jí)進(jìn)行了深入研究，并取得了一定的研究成果，提出了很多方法，主要為Chebyshev濾波方法，“凹槽噪聲場(chǎng)”方法，靜態(tài)波束圖數(shù)字綜合方法，反復(fù)迭代方法，多線性約束方法，非線性優(yōu)化方法，凸優(yōu)化(Convex Optimization)方法，半無(wú)限二次規(guī)劃(Semi-Infinite Quadratic Programming)方法，二階錐(Second-Order Cone)約束方法，中心矩方法，虛擬干擾源構(gòu)造能量聚焦矩陣方法，稀疏約束方法。在以上方法中，Chebyshev濾波方法以其簡(jiǎn)單方便常被應(yīng)用實(shí)際工程中，但存在旁瓣級(jí)設(shè)置和主瓣寬度控制折中選擇問(wèn)題。

目前的方法都未能解決針對(duì)MUSIC波束形成中背景噪聲和旁瓣級(jí)對(duì)檢測(cè)弱目標(biāo)性能影響的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)MUSIC波束形成中背景噪聲和旁瓣級(jí)對(duì)檢測(cè)弱目標(biāo)性能影響的問(wèn)題，根據(jù)線列陣接收數(shù)據(jù)中信號(hào)和噪聲相關(guān)性的差異，提出一種基于分子陣預(yù)處理的MUSIC波束形成方法。該方法首先需要將線列陣中2N-1個(gè)陣元接收數(shù)據(jù)通過(guò)分子陣預(yù)處理轉(zhuǎn)變?yōu)镹個(gè)陣元數(shù)據(jù)；然后再采用MUSIC波束形成思想對(duì)該N個(gè)陣元數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到各方位處空間譜。由于該方法對(duì)線列陣接收數(shù)據(jù)進(jìn)行了分子陣預(yù)處理，有效提高線列陣接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣中信號(hào)含有量和信噪比，降低了背景噪聲和旁瓣級(jí)對(duì)MUSIC波束形成檢測(cè)弱目標(biāo)帶來(lái)的影響，提高了MUSIC波束形成對(duì)弱目標(biāo)檢測(cè)的檢測(cè)效果。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種基于分子陣預(yù)處理的MUSIC波束形成方法，所述方法包括：

根據(jù)線列陣接收數(shù)據(jù)中信號(hào)和噪聲相關(guān)性的差異，將線列陣中2N-1個(gè)陣元接收數(shù)據(jù)通過(guò)分子陣預(yù)處理轉(zhuǎn)變?yōu)镹個(gè)陣元數(shù)據(jù)；然后再對(duì)N個(gè)陣元數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到MUSIC波束輸出。

作為上述方法的一種改進(jìn)，所述方法具體包括：

步驟1)對(duì)線列陣2N-1個(gè)陣元接收數(shù)據(jù)按下式進(jìn)行分組處理：

式中，X_n(f_l)表示第n個(gè)陣元拾取的頻率f_l數(shù)據(jù)，表示為：

式中：S(f_l)為目標(biāo)輻射信號(hào)，N_n(f_l)為第n個(gè)陣元拾取的加性高斯白噪聲數(shù)據(jù)，λ＝f_l/c為波長(zhǎng)，d為線列陣相鄰陣元間距，θ₀為目標(biāo)相對(duì)線列陣入射角度，c為聲速入射；

步驟2)在搜索角度θ,θ＝1,2,…180處，按下式對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行相移預(yù)處理：

步驟3)對(duì)各組數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果進(jìn)行相加，得到一組新數(shù)據(jù)Y(f_l)為：