[發(fā)明專利]一種基于凸優(yōu)化理論的共形陣二維波束優(yōu)化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011038156.0
• 申請日: 2020-09-28
• 公開（公告）號(hào): CN112162266B
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁浩前;王曉慶;陳衛(wèi)東
• 申請（專利權(quán)）人: 中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所
• 主分類號(hào): G01S7/539
• 分類號(hào): G01S7/539;G01S15/00
• 代理公司: 河北東尚律師事務(wù)所 13124
• 代理人: 王文慶

本發(fā)明公開了一種基于凸優(yōu)化理論的共形陣二維波束優(yōu)化方法，屬于水聲陣列信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域。本方法包括以下步驟：對共形陣掃描空間進(jìn)行主瓣區(qū)域、旁瓣區(qū)域進(jìn)行劃分；初始化半主瓣寬度，通過迭代求解設(shè)定期望旁瓣級(jí)下的最窄主瓣寬度；將波束形成優(yōu)化問題表示成凸優(yōu)化二階錐約束形式，利用內(nèi)點(diǎn)法求出加權(quán)向量的最優(yōu)解，從而得到均勻低旁瓣的二維波束響應(yīng)圖。本發(fā)明得到的二維波束圖具有更低的旁瓣水平，且旁瓣為均勻旁瓣，具有更優(yōu)良的波束指向性。本發(fā)明在MVDR方法基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的約束方程使得二維波束形成相比傳統(tǒng)方法可以獲得更高的陣增益。此外，本發(fā)明中對加權(quán)向量范數(shù)的約束使得二維波束形成相比傳統(tǒng)方法具有更高的穩(wěn)健性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水聲陣列信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種基于凸優(yōu)化理論的共形陣二維波束優(yōu)化方法。

背景技術(shù)

主動(dòng)聲吶用于艦船等水面目標(biāo)檢測時(shí)，這些水面目標(biāo)與聲吶平臺(tái)不在同一高度，聲吶既要進(jìn)行水平方向的搜索，也要進(jìn)行俯仰方向的搜索。共形陣聲吶可以實(shí)現(xiàn)空間全方位掃描，傳統(tǒng)處理手段出于減少算法運(yùn)算量和聲吶設(shè)備復(fù)雜度的目的，將共形陣等效成一維陣列進(jìn)行一維波束形成，即將俯仰方向各陣元串聯(lián)處理等效為一個(gè)陣元，每個(gè)等效陣元在俯仰方向具有一定的指向性。但此類處理俯仰方向探測范圍只能限于0°附近，抗俯仰方向干擾性能較差，且波束旁瓣級(jí)較高，聲傳播路徑出現(xiàn)損失的情況下性能惡化。

基于乘積定理的二維波束形成方法，將面陣分解為線陣與線陣的組合，分別對兩種線陣做波束形成，最終得到立體陣的波束圖，但這類方法不適用于陣元空間任意分布的共形陣列。數(shù)值綜合法以最小方差無失真響應(yīng)(MVDR)波束形成為基礎(chǔ)，在旁瓣區(qū)域施加若干虛擬干擾。這些干擾可以降低對應(yīng)方向的波束響應(yīng)，且增加干擾強(qiáng)度可以降低對應(yīng)波束響應(yīng)。通過迭代法調(diào)節(jié)干擾強(qiáng)度，控制波束旁瓣達(dá)到期望旁瓣級(jí)。數(shù)值綜合法這類基于自適應(yīng)波束形成的旁瓣控制方法的問題是迭代步長難以選取，難以保證對旁瓣的嚴(yán)格控制，且迭代過程沒有對于主瓣的約束，易導(dǎo)致主瓣明顯展寬，無法得到給定旁瓣級(jí)下的最窄主瓣寬度，這些問題在應(yīng)用于二維波束形成時(shí)更加明顯，算法常無法收斂。此外，此類方法在控制旁瓣時(shí)缺少對陣增益和穩(wěn)健性的考慮。

隨著優(yōu)化理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了運(yùn)用凸優(yōu)化理論進(jìn)行波束優(yōu)化、旁瓣控制的方法。凸優(yōu)化方法可以求得問題的全局最優(yōu)解，可以避免搜索步長選擇、陷入局部極值等問題。根據(jù)現(xiàn)有的內(nèi)點(diǎn)法可以方便求解凸優(yōu)化問題。因此，凸優(yōu)化理論及其求解算法為共形陣的二維波束優(yōu)化和旁瓣控制提供了一個(gè)新的解決思路和方向。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種基于凸優(yōu)化理論的共形陣二維波束優(yōu)化方法，該方法解決了共形陣在進(jìn)行二維波束形成時(shí)，旁瓣級(jí)過高、波束穩(wěn)定性難以控制的問題，同時(shí)提高了波束形成的陣增益和穩(wěn)健性。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于凸優(yōu)化理論的共形陣二維波束優(yōu)化方法，包括如下步驟：

(1)在共形陣掃描空間內(nèi)進(jìn)行陣列流型建模，得到二維陣列流型矩陣A；

(2)根據(jù)目標(biāo)指向的方位角和俯仰角得到目標(biāo)方向的波束響應(yīng)；

(3)對共形陣掃描空間進(jìn)行主瓣區(qū)域、旁瓣區(qū)域劃分；

(4)對方位和俯仰半主瓣寬度進(jìn)行初始化，并設(shè)定期望旁瓣級(jí)；

(5)通過循環(huán)迭代，計(jì)算出有解的最窄半主瓣寬度，并得到最窄半主瓣寬度下的主瓣區(qū)域、旁瓣區(qū)域；

(6)利用內(nèi)點(diǎn)法求解凸優(yōu)化二階錐約束，得到波束形成加權(quán)向量w；

(7)根據(jù)加權(quán)向量w和二維陣列流型矩陣A，計(jì)算二維波束形成的波束響應(yīng)。

進(jìn)一步的，步驟(1)的具體方式為：