[發明專利]一種基于解卷積的MIMO聲納距離旁瓣抑制方法

有效

• 申請號: 202010083253.5
• 申請日: 2020-02-08
• 公開（公告）號: CN111257891B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 劉雄厚;孫超;魏燾;楊益新;卓頡
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01S15/89
• 分類號: G01S15/89;G01S7/53;G01S7/527;G01S7/52
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 康進興

1.一種基于解卷積的MIMO聲納距離旁瓣抑制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1：通過MIMO聲納成像方法獲得原始的MIMO聲納成像輸出：

步驟S2：根據MIMO聲納使用的正交波形，設計用于解卷積處理的最優點擴散函數，包括以下子步驟：

子步驟S201：保留MIMO聲納所使用的正交多相編碼信號中自相關函數主瓣部分，去掉自相關函數的旁瓣部分，同時設計一個正數η作為所設計的點擴散函數的旁瓣級，獲得點擴散函數PSF(t)的表達式

其中，t代表時間，T₀表示單個子碼長度；

對η值進行優化，設置η的值變量區間，該區間包含于從10^-6到10^-0.01所構成的區間，得到不同η值下的多個點擴散函數PSF(t)；

子步驟S202：根據MIMO聲納使用的正交多相編碼信號，得到相關函數R(t)：

其中，R_m,m(t)表示第m個正交多相編碼信號的自相關函數，m＝1,2,…,M，R_m,i(t)表示第m個正交多相編碼信號和其它正交多相編碼信號之間的互相關函數，M表示MIMO聲納所使用的正交多相編碼信號的個數，且滿足M≥2；

子步驟S203：對相關函數R(t)求絕對值獲得|R(t)|，其中||表示求絕對值；將|R(t)|和點擴散函數PSF(t)作為Richardson-Lucy算法的輸入，進行解卷積處理；Richardson-Lucy算法為迭代算法，第k+1次迭代結果r^(k+1)(t)表示為

其中，k代表迭代次數；

隨著迭代的進行，迭代結果r^(k)(t)將收斂于一個唯一解，該解使得Csiszar距離最小化，對應的表達式為：

其中，表示求解使得圓括號中函數取得最小值的r(t)，L()表示Csiszar距離，設a(x)和b(x)為兩個變量，則Csiszar距離的表達式為

子步驟S204：重復子步驟S203，獲得所有η值下Richardson-Lucy算法的輸出；對這些Richardson-Lucy算法的輸出求解最高旁瓣級，尋找出所有最高旁瓣級中最低值對應的η值，令其為η₀；用η₀構造可用于MIMO聲納距離旁瓣抑制的點擴散函數PSF(t,η₀)，表達式為

步驟S3：利用步驟S2中設計的最優點擴散函數和Richardson-Lucy算法，對步驟S1中得到的MIMO聲納原始成像輸出進行解卷積處理以降低距離旁瓣，包括以下子步驟：

子步驟S301：Richardson-Lucy算法的輸入為最優點擴散函數PSF(t,η₀)和第q個波束輸出B_q(t)的絕對值|B_q(t)|，q＝1,2,…,Q，輸出為第k次迭代所獲得的目標分布S^(k)(t)；

子步驟S302：在降低距離旁瓣的迭代過程中，Richardson-Lucy算法的第k+1次迭代結果S^(k+1)(t)表示為

隨著迭代的進行，S^(k)(t)將收斂于一個唯一解，該解使得Csiszar距離最小化

其中，表示求解使得圓括號中函數取得最小值的S(t)；

子步驟S303：重復子步驟S302，對所有波束輸出的絕對值均使用點擴散函數PSF(t,η₀)和Richardson-Lucy算法進行解卷積處理，得到旁瓣抑制后的成像輸出。

2.如權利要求1所述的一種基于解卷積的MIMO聲納距離旁瓣抑制方法，其特征在于，所述步驟S1中獲得MIMO聲納成像輸出具體包括以下子步驟：

子步驟S101：定義MIMO聲納包括M個發射換能器和N個接收水聽器，M元發射換能器組成M元發射均勻直線陣，N個接收水聽器組成N元接收均勻直線陣；發射換能器間距d_t與接收水聽器間距d_r滿足

d_t＝Nd_r；

子步驟S102：MIMO聲納使用M個具有相同頻段的正交編碼信號，M≥2，第m個信號為s_m(t)，m＝1,2,……,M，其表達式為：

其中，t表示時間，L為子碼個數，T₀為單個子碼長度，為第m個發射信號中第l個子碼的初相位，f₀為發射信號的中心頻率，j表示虛部；

子步驟S103：設遠場中的待成像區域可建模為P個離散點，第n個接收陣元上的接收信號為：

其中，σ_p為第p個散射點的散射強度，為第m個發射陣元到第p個散射點的時延，為第p個散射點到第n個接收陣元的時延，n(t)為加性噪聲；

子步驟S104：忽略掉噪聲n(t)的匹配濾波輸出，在接收端用M個發射信號的拷貝對N個接收陣元上的接收信號進行匹配濾波，可以獲得MN個匹配濾波輸出，其第(m-1)N+n個匹配濾波輸出由第m個發射信號拷貝對第n個接收陣元上回波信號的匹配濾波輸出得到，表示為

R_m,m(t)為第m個正交多相編碼信號的自相關函數，R_m,i(t)為第m個正交多相編碼信號和其它正交多相編碼信號之間的互相關函數，表示從第i個發射陣元到第p個散射點的時延，滿足i≠m；

子步驟S105：對MN個匹配濾波輸出進行波束形成處理；設第q個波束輸出為B_q(t)

其中，

為第(m-1)N+n個匹配濾波輸出的加權，為對應的幅度加權，θ_q為第q個波束上的掃描角；

將中所有波束輸出求絕對值獲得|B_q(t)|，并按照波束掃描順序拼接在一起，即可得到MIMO聲納原始的成像輸出。