[發明專利]一種基于子陣劃分的波束域成像方法

有效

• 申請號: 201811533961.3
• 申請日: 2018-12-14
• 公開（公告）號: CN109765521B
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 劉曉東;姚琳;曹金亮;張東升;王舒文;王晏賓
• 申請（專利權）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: G01S3/808
• 分類號: G01S3/808
• 代理公司: 北京方安思達知識產權代理有限公司 11472
• 代理人: 陳琳琳;楊青

本發明公開了一種基于子陣劃分的波束域成像方法，所述方法包括：步驟1)利用均勻線陣的接收信號的方位譜估計目標信號源個數和方向；步驟2)將均勻線陣劃分為多個尺寸相同、相互重疊的子陣，對各子陣接收信號做指定方向的空域濾波得到每個子陣的波束形成結果；把每個子陣的波束形成結果看作一個虛擬陣元的輸出，將各虛擬陣元組合成一條虛擬線陣并計算虛擬線陣的輸出；步驟3)基于虛擬線陣的輸出利用高分辨率DOA估計算法實現回波方向的估計。本發明的方法對子陣做指定方向的波束形成，相當于對信號進行空域濾波，在增強指定方向信號強度的同時，濾掉其他方向來波的干擾，提高了信噪比。

技術領域

本發明屬于聲納信號處理領域，具體涉及一種在存在多途信號或接收信號信噪比較低的情況下提高DOA估計性能的方法，特別涉及一種基于子陣劃分的波束域成像方法。

背景技術

國際上從二十世紀七十年代開始研究測深側掃聲納，其測深時應用的信號處理方法分為三種。第一種為聲干涉技術，它采用兩條平行線陣，當兩條線陣接收回波的相位差為0或π時就可得到方向結果，但它存在測深點少、測深精度差的問題；第二種為差分相位估計技術，它采用兩條平行線陣，每次發射可以獲得上百個測深點，并且具有分辨率高的優點，但該算法只能同時估計一個目標，不能在復雜地形下工作。為解決此問題，EdgeTech公司提出MPES(Multi-Phase Echo Sounder)技術，它采用多條平行線陣，將波束形成技術和差分相位估計法結合，在解決信號多途問題的同時還可以避免測深側掃聲納測深結果正下方留白問題；第三種為基于波達方向(Direction of Arrival,DOA)估計的高分辨率成像技術。中科院聲學所設計HRBSSS系統時接收陣采用八條間距約為半波長的平行線陣，測深時利用UESPRIT算法，該算法的分辨率高，能夠有效估計不同方向同時到達的回波，區分海底散射波和其他多途信號。加拿大Simon Fraser大學提出了CAATI(Computed Angle-of-ArrivalTransient Imaging)技術，并將其應用在Benthos公司的C3D-LPM型測深側掃聲納上，該算法可以直接解算多個同時到達的回波信號的方位和強度。

測深側掃聲納利用高分辨率成像技術進行測深時，會出現以下兩方面問題。一是利用高分辨率DOA估計算法進行回波方向估計時，需要預先估計回波信號的個數，由于水中環境復雜，利用蓋世圓算法、信息論算法等估計信號源數目時容易出現錯誤；二是聲納工作在淺水水域時，回波的多途現象嚴重，除海底散射回波外，還可能同時存在其他方向的強回波信號干擾，導致此時利用高分辨率DOA估計算法估計海底散射回波方向容易出現偏差。此外，由于DOA估計要求的信噪比門限較高，在信號遠端回波信噪比較低時，得到的測深結果精度較差。

發明內容

本發明的目的在于解決現有成像方法在高分辨率測深側掃聲納中測深應用時，在出現多途信號或信號遠端信噪比較低的情況下存在DOA估計精度較低的問題；提出了一種基于子陣劃分的波束域成像方法，該方法能夠估計同一時刻多個回波的到達角度，且在低信噪比的情況下也保持良好的檢測性能。

本發明的技術方案為：

一種基于子陣劃分的波束域成像方法，所述方法包括：

步驟1)利用均勻線陣的接收信號的方位譜估計目標信號源個數和方向；

步驟2)將均勻線陣劃分為多個尺寸相同、相互重疊的子陣，對各子陣接收信號做指定方向的空域濾波得到每個子陣的波束形成結果；把每個子陣的波束形成結果看作一個虛擬陣元的輸出，將各虛擬陣元組合成一條虛擬線陣并計算虛擬線陣的輸出；

步驟3)基于虛擬線陣的輸出利用高分辨率DOA估計算法實現回波方向的估計。

作為上述方法的一種改進，所述步驟1)具體包括：

步驟1-1)所述均勻線陣接收回波信號，其快拍數據為X；所述均勻線陣包括M個陣元，各陣元有著相同的指向性，陣元間距為d；