一种双基地声呐系统直达波抑制方法技术方案

本发明专利技术提供的是一种双基地声呐系统直达波抑制方法。采用加权稀疏约束Capon波束形成器的优化模型得到最优权；通过零点约束波束形成技术在阵列方向图的固定方向上产生零点，消除该方向上的干扰，对相干干扰进行抑制，从而抑制了直达波。由于双基地声呐系统采用收发分置的配置系统，接收端除了接收到目标回波外，还会收到幅度远远大于目标回波的直达波。本发明专利技术可以在相干干扰附近产生更深的零陷，既有更好的宽容性，并且可以形成较低的旁瓣，提高了阵列输出SINR及抗导向矢量角度失配的能力。

【技术实现步骤摘要】
一种双基地声呐系统直达波抑制方法
本专利技术涉及的是一种双或多基地声呐系统直达波抑制方法。具体地说是当在时域上无法分离直达波与目标回波的时候，在空域上对直达波进行有效抑制的方法。
技术介绍
我国是一个有着300多万平方公里的海洋面积的海陆兼具的国家，对于我国这样一个海洋大国来说，维护海洋权益对国家的崛起与安全显得至关重要。因此，我们需要先进的海洋技术。双/多基地声呐系统的优点是：抗干扰能力强；作用距离大。传统的声呐设备大多是采用收发合置的单基地声呐，而双基地声呐系统采用的是收发分置的设备配置，声源(发射机)和接收设备是远距离分开的。由于这种配置使得接收机除了收到目标的发射和散射信号之外必然还会接收到发射源产生的直达波信号。直达波干扰是一种强相干干扰，由于双基地的配置中发射站相对于接收站的位置已知，可将直达波看成是固定方位的强相干干扰。干扰抑制技术就是抑制干扰方向的信号，使最终的处理结果只含有目标回波的相关信息，实现弱信号的提取。抑制直达波的方法主要有两类，一类是在时域上进行直达波的抑制，一类是从空域上进行抑制。时间门限法是一种在时域上进行直达波抑制的方法，是直接对接收信号加一定长度的窗函数，抑制窗函数内的信号。对于较远距离的目标，直达波与目标散射回波在时间上具有可以分离的特性，可以采用时间窗技术将二者分离。但是，当声纳系统和目标间的距离小到一定程度时，目标散射信号几乎完全被淹没在直达波或其多途信号中，仅依靠时间窗技术不可能完全去除直达波，在去除直达波的同时，有可能将目标回波信号也一起抑制了。对于固定的收发分置的双基地声呐直达波的方向是已知的，只要目标不在基线上，目标回波达到的方位角就与直达波的方位角不同，于是可以从空域上分离直达波与目标回波，目前的主要方法有：零点抑制技术，自适应对消技术，自适应阵列信号处理等技术。西北工业大学郭晶等根据主动声纳中直达波的特点，利用自适应对消技术来达到直达波滤除的方法，但是由于拟合直达波的本身就存在误差，因此无法使直达波完全被抵消。中科院的陈拓等提出了一种采用典型相关分析(CCA)实现主动声纳直达波干扰抑制，优点在于回波强度得到了充分体现，缺点在于直达波的能量特性不能完全消除。零点约束方法以约束矩阵对阵列输出的空间谱进行约束，通过在直达波方向预置零点实现对干扰的抑制，计算量较小。但是零点约束的常规波束形成受瑞利限的制约，波束分辨力不高。综上所述，目前已有的直达波抑制算法仍有改进的空间，如何有效抑制直达波仍待解决。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能有效抑制直达波，并且对弱回波信号进行提取的双基地声呐系统直达波抑制方法。本专利技术的目的是这样实现的：采用加权稀疏约束Capon波束形成器的优化模型得到最优权；通过零点约束波束形成技术在阵列方向图的固定方向上产生零点，消除该方向上的干扰，对相干干扰进行抑制，从而抑制了直达波。本专利技术还可以包括：1.所述采用加权稀疏约束Capon波束形成器的优化模型得到最优权具体包括：步骤1-1：获取信号的阵列时域数据，接收信号模型为其中sj(t)表示t时刻的期望信号或干扰信号；θj表示期望信号或干扰信号的波达方向；a(θj)表示期望信号或干扰的导向矢量，j＝0,1,2,…J，n(t)表示t时刻的加性高斯白噪声，步骤1-2：求接收数据的协方差矩阵，即利用有限快拍得到的阵列采样数据协方差矩阵，其中L为快拍数；步骤1-3：定义旁瓣区，阵列流型矩阵为A＝[a(θ0)a(θ1)···a(θJ)]，Aφ为旁瓣区域内导向矢量的集合；步骤1-4：阵列的协方差矩阵划分为两个空间，即信号子空间和噪声子空间，对样本数据的协方差矩阵Rx进行特征分解Rx＝UΣUH，其中Σ和U分别为Rx的特征值和特征向量矩阵；步骤1-5：按照特征值大小顺序，把与信号个数K相等的特征值和对应的特征矢量看作信号子空间Us，把剩下的M-K个特征值和特征矢量看作噪声子空间UN，两者正交；步骤1-6：由于信号子空间和入射信号的导向矢量张成的空间是同一个空间，则AHUN＝0，将干扰方位导向矢量组成的矩阵记为AI，由于则AIHUN＝0，由于Aφ包含干扰方位导向矢量AI，将Aφ划分为Aφ＝[AIAIC]；步骤1-7：根据步骤1-6得其中D1为干扰方位导向矢量与噪声子空间的内积,其值均为0；D2为旁瓣区域中除干扰方位外的导向矢量与噪声子空间向量的内积；D为整个旁瓣区域导向矢量与噪声子空间的内积；步骤1-8：对矩阵D的每一行取l2范数，得到列向量d1的值均为0，对应干扰方位，d2对应除去干扰方位的旁瓣中的其余方位；步骤1-9：将d中的每个元素逐一取倒数，得到gi＝1/di，构成新向量g，最终加权矩阵表述为G＝diag(g)；步骤1-10：将步骤1-9中的G代入到优化约束模型得到最优权ω。2.所述通过零点约束波束形成技术在阵列方向图的固定方向上产生零点具体包括：步骤2-1：根据步骤1-10，其波束输出的响应表示为B(θ)＝ωHa(θ)，在约束条件下，用一个约束方向图来逼近这个理想方向图，该约束方向图表示为Bs(θ)＝ωsHa(θ)；步骤2-2：定义一个约束矩阵C0，C0＝[a(θk)]，k＝1,2,…K，K为要形成零点的个数，有一些零点对θ的导数不为零，定义C1＝[d1(θk)]，其中C1＝[d1(θk)]为a(θ)对θ的一阶导数在θk处的值，同理，定义更高阶的约束矩阵；步骤2-3：扩展C0为C，C＝[C0C1···]；步骤2-4：零点约束的约束条件为ωsHC＝0，为使理想方向图和约束方向图之间的最小二乘误差最小，利用拉格朗日乘子形式优化，得到最优权值为ωsH＝ωH-(ωHC[CHC]-1)CH。为了克服现有直达波抑制方法的不足,本专利技术提供了一种双基地直达波抑制的算法，有效的抑制了直达波，并且对弱回波信号进行提取。本专利技术的优点是：本专利技术可以在相干干扰附近产生更深的零陷，既有更好的宽容性，并且本方法较常规的波束形成而言可以形成较低的旁瓣，并且提高了阵列输出SINR及抗导向矢量角度失配的能力。附图说明图1是设置二阶零点约束波束图；图2是改进算法与常规波束形成对比图；图3是改进算法与常规自适应波束形成对比图；图4是本专利技术的流程图。具体实施方式本专利技术的一种双基地声呐系统直达波抑制方法主要包括两部分：步骤1：采用加权稀疏约束Capon波束形成器的优化模型得到最优权。步骤2：通过零点约束波束形成技术在阵列方向图的固定方向上产生零点，消除该方向上的干扰，对相干干扰进行抑制，从而抑制了直达波。上述的，所述的步骤1包含如下内容：步骤1-1：获取信号的阵列时域数据，接收信号模型为其中sj(t)(j＝0,1,2,…J)表示t时刻的期望信号或干扰信号；θj(j＝0,1,2,…J)表示期望信号或干扰信号的波达方向；a(θj)(j＝0,1,2,…J)表示期望信号或干扰的导向矢量。n(t)表示t时刻的加性高斯白噪声。步骤1-2：求接收数据的协方差矩阵，即利用有限快拍得到的阵列采样数据协方差矩阵。其中L为快拍数。步骤1-3：定义旁瓣区。阵列流型矩阵为A＝[a(θ0)a(θ1)···a(θJ)]Aφ为旁瓣区域内导向矢量的集合。步骤1-4：阵列的协方差矩阵可以划分为两个空间，即信号子空间和噪声子空间。对样本数据的协方差矩阵Rx进行特征分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双基地声呐系统直达波抑制方法，其特征是：采用加权稀疏约束Capon波束形成器的优化模型得到最优权；通过零点约束波束形成技术在阵列方向图的固定方向上产生零点，消除该方向上的干扰，对相干干扰进行抑制，从而抑制了直达波。

【技术特征摘要】
1.一种双基地声呐系统直达波抑制方法，其特征是：采用加权稀疏约束Capon波束形成器的优化模型得到最优权；通过零点约束波束形成技术在阵列方向图的固定方向上产生零点，消除该方向上的干扰，对相干干扰进行抑制，从而抑制了直达波。2.根据权利要求1所述的双基地声呐系统直达波抑制方法，其特征是所述采用加权稀疏约束Capon波束形成器的优化模型得到最优权具体包括：步骤1-1：获取信号的阵列时域数据，接收信号模型为其中sj(t)表示t时刻的期望信号或干扰信号；θj表示期望信号或干扰信号的波达方向；a(θj)表示期望信号或干扰的导向矢量，j＝0,1,2,…J，n(t)表示t时刻的加性高斯白噪声，步骤1-2：求接收数据的协方差矩阵，即利用有限快拍得到的阵列采样数据协方差矩阵，其中L为快拍数；步骤1-3：定义旁瓣区，阵列流型矩阵为A＝[a(θ0)a(θ1)…a(θJ)]，Aφ为旁瓣区域内导向矢量的集合；步骤1-4：阵列的协方差矩阵划分为两个空间，即信号子空间和噪声子空间，对样本数据的协方差矩阵Rx进行特征分解Rx＝UΣUH，其中Σ和U分别为Rx的特征值和特征向量矩阵；步骤1-5：按照特征值大小顺序，把与信号个数K相等的特征值和对应的特征矢量看作信号子空间Us，把剩下的M-K个特征值和特征矢量看作噪声子空间UN，两者正交；步骤1-6：由于信号子空间和入射信号的导向矢量张成的空间是同一个空间，则AHUN＝0，将干扰方位导向矢量组成的矩阵记为AI，由于则AIHUN＝0，由于Aφ包含干扰方位导向矢量AI，...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂东虎，梁佳，乔钢，周锋，刘凇佐，孙宗鑫，马璐，安思宇，庞桐桐，马永铮，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23