[發明專利]一種用于MVDR波束形成技術的數據壞道消除方法

在審

• 申請號: 202210459140.X
• 申請日: 2022-04-26
• 公開（公告）號: CN114879170A
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發明（設計）人: 李智忠;楊剛;姜斌;郭啟超
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍潛艇學院
• 主分類號: G01S7/52
• 分類號: G01S7/52;G01S17/89
• 代理公司: 青島海昊知識產權事務所有限公司 37201
• 代理人: 王鐸

本發明公開了一種用于MVDR波束形成技術的數據壞道消除方法。通過采集設備獲取聲納陣元域數據，計算各通道信號的能量，將小于左右相鄰兩通道能量均值的1/10的通道視為壞道，將壞道數據空置為幅值較大的高斯噪聲，所有陣元信號做FFT將其轉換到頻域，取對應濾波截止頻率范圍內的數據，所得數據對應的頻點乘以對應相位差，構建協方差矩陣，計算輸出功率，確定目標方位。經與比對測試，本發明方法可以有效消除數據壞道對MVDR波束形成技術的影響，仿真結果表明其性能與不存在壞道基本相當，有助于推動自適應波束形成技術在聲納裝備上的應用。

技術領域

本發明屬于水聲工程領域，涉及一種適用于MVDR波束形成技術的數據壞道消除方法。

背景技術

聲納是進行水下目標探測的關鍵手段。對于聲納來說，各通道水聽器的協同工作是保證其探測識別的前提，同時，波束形成技術使目標在聲納上的顯示更為明顯。然而，任何設備都有發生故障的可能，當水聽器存在數據壞道現象時，聲納波束形成的探測能力將會下降。

目前各類聲納主要采用常規波束形成技術(conventional beamforming，簡稱CBF)，然而CBF的波束分辨率、檢測能力等受到陣列孔徑和工作頻率所決定的瑞利極限的限制而無法提升。Capton提出的最小方差無畸變響應(Minimum Variance DistortionlessResponse Beamforming，簡稱MVDR)波束形成技術是一種自適應波束形成技術，它可以根據一定的標準和權值對聲納基陣接收信號進行加權疊加，使得疊加后的信號在所應用的準則下質量最優，進而減少主瓣寬度、抑制旁瓣以及降低背景噪聲產生的影響。MVDR波束形成技術是目前聲納裝備高分辨技術波束形成技術重要的發展方向與研究熱點。

不過，MVDR波束形成技術對數據質量要求相對較高，數據壞道現象會導致MVDR波束形成技術性能急劇下降。數據壞道現象在水聽器上的具體體現就是水聽器無輸出信號或者輸出信號幅值異常。在潛艇上，水聽器的布放位置、間距、工藝，信號處理設備以及各設備之間的線路數據輸送等都會影響接收信號的質量。因此，數據壞道現象是潛艇日常工程實踐過程中容易出現的問題，成為MVDR波束形成技術無法在潛艇聲納中廣泛應用的重要原因之一。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種適用于MVDR波束形成技術的數據壞道消除方法，可以消除數據壞道對MVDR波束形成技術的影響，為推動自適應波束形成技術在水下裝備的應用奠定基礎。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

一種用于MVDR波束形成技術的數據壞道消除方法，包括以下步驟：

步驟一：通過采集設備獲取M通道N點陣元域數據x(n)；所述采集設備為聲納；

步驟二：選取某段時間內聲信號數據，計算各通道信號的能量，當第m通道的能量小于左右相鄰兩個通道信號能量均值的1/10時，則認為第m通道水聽器數據損壞；

步驟三：將損壞的第m通道數據空置為數值較大的高斯噪聲數據：

x'_m(n)＝a·G(n)；

式中x'_m(n)為重構后的信號，G(n)為歸一化的高斯噪聲信號，a為幅度系數，一般取正常接收數據(以相鄰陣元數據為準)最大幅度的10倍以上；

步驟四：將M通道信號x'_m(n)，m＝1，2，...M，n＝1,2，...N做N點的FFT，將其轉換到頻域：

X(f_n)＝fft[x'(n)]；

步驟五：自適應波束形成提取目標方位：首先將步驟四所得數據對應的頻點乘以對應相位差exp(j·2π·f_n·τ_m(θ_i))；