一种基于子阵划分的波束域成像方法技术

技术编号:21139318 阅读:28 留言:0更新日期:2019-05-18 04:40
本发明专利技术公开了一种基于子阵划分的波束域成像方法,所述方法包括:步骤1)利用均匀线阵的接收信号的方位谱估计目标信号源个数和方向;步骤2)将均匀线阵划分为多个尺寸相同、相互重叠的子阵,对各子阵接收信号做指定方向的空域滤波得到每个子阵的波束形成结果;把每个子阵的波束形成结果看作一个虚拟阵元的输出,将各虚拟阵元组合成一条虚拟线阵并计算虚拟线阵的输出;步骤3)基于虚拟线阵的输出利用高分辨率DOA估计算法实现回波方向的估计。本发明专利技术的方法对子阵做指定方向的波束形成,相当于对信号进行空域滤波,在增强指定方向信号强度的同时,滤掉其他方向来波的干扰,提高了信噪比。

A Beam Domain Imaging Method Based on Subarray Partition

【技术实现步骤摘要】
一种基于子阵划分的波束域成像方法
本专利技术属于声纳信号处理领域,具体涉及一种在存在多途信号或接收信号信噪比较低的情况下提高DOA估计性能的方法,特别涉及一种基于子阵划分的波束域成像方法。
技术介绍
国际上从二十世纪七十年代开始研究测深侧扫声纳,其测深时应用的信号处理方法分为三种。第一种为声干涉技术,它采用两条平行线阵,当两条线阵接收回波的相位差为0或π时就可得到方向结果,但它存在测深点少、测深精度差的问题;第二种为差分相位估计技术,它采用两条平行线阵,每次发射可以获得上百个测深点,并且具有分辨率高的优点,但该算法只能同时估计一个目标,不能在复杂地形下工作。为解决此问题,EdgeTech公司提出MPES(Multi-PhaseEchoSounder)技术,它采用多条平行线阵,将波束形成技术和差分相位估计法结合,在解决信号多途问题的同时还可以避免测深侧扫声纳测深结果正下方留白问题;第三种为基于波达方向(DirectionofArrival,DOA)估计的高分辨率成像技术。中科院声学所设计HRBSSS系统时接收阵采用八条间距约为半波长的平行线阵,测深时利用UESPRIT算法,该算法的分辨率高,能够有效估计不同方向同时到达的回波,区分海底散射波和其他多途信号。加拿大SimonFraser大学提出了CAATI(ComputedAngle-of-ArrivalTransientImaging)技术,并将其应用在Benthos公司的C3D-LPM型测深侧扫声纳上,该算法可以直接解算多个同时到达的回波信号的方位和强度。测深侧扫声纳利用高分辨率成像技术进行测深时,会出现以下两方面问题。一是利用高分辨率DOA估计算法进行回波方向估计时,需要预先估计回波信号的个数,由于水中环境复杂,利用盖世圆算法、信息论算法等估计信号源数目时容易出现错误;二是声纳工作在浅水水域时,回波的多途现象严重,除海底散射回波外,还可能同时存在其他方向的强回波信号干扰,导致此时利用高分辨率DOA估计算法估计海底散射回波方向容易出现偏差。此外,由于DOA估计要求的信噪比门限较高,在信号远端回波信噪比较低时,得到的测深结果精度较差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有成像方法在高分辨率测深侧扫声纳中测深应用时,在出现多途信号或信号远端信噪比较低的情况下存在DOA估计精度较低的问题;提出了一种基于子阵划分的波束域成像方法,该方法能够估计同一时刻多个回波的到达角度,且在低信噪比的情况下也保持良好的检测性能。本专利技术的技术方案为:一种基于子阵划分的波束域成像方法,所述方法包括:步骤1)利用均匀线阵的接收信号的方位谱估计目标信号源个数和方向;步骤2)将均匀线阵划分为多个尺寸相同、相互重叠的子阵,对各子阵接收信号做指定方向的空域滤波得到每个子阵的波束形成结果;把每个子阵的波束形成结果看作一个虚拟阵元的输出,将各虚拟阵元组合成一条虚拟线阵并计算虚拟线阵的输出;步骤3)基于虚拟线阵的输出利用高分辨率DOA估计算法实现回波方向的估计。作为上述方法的一种改进,所述步骤1)具体包括:步骤1-1)所述均匀线阵接收回波信号,其快拍数据为X;所述均匀线阵包括M个阵元,各阵元有着相同的指向性,阵元间距为d;步骤1-2)构造基于DSFT的密集波束域转换矩阵:其中,u(η)=[1,ejπη,...,ej(M-1)πη]T为M×1维DSFT波束形成向量,η为参数;W为波束密集系数,W≥1,矩阵的每一列向量为角度方向上的波束矢量;步骤1-3)计算快拍数据X的方位谱估计:其中(·)H表示共轭转置,diag(·)表示矩阵的对角线元素;步骤1-4)以各方向输出功率的平均值为门限,将功率大于门限的功率谱峰值的个数记为信源个数N,峰值位置为信号到达方位的估计值θq,q=1,...,N。作为上述方法的一种改进,所述步骤2)具体包括下述步骤:步骤2-1)将M元线阵划分为K个尺寸相同、相互重叠的子阵,每个子阵中包含P=M-K+1个阵元;步骤2-2)将步骤1-4)估计的目标信号源方向作为对子阵进行波束形成时的有效波束方向θq,q=1,...,N,对应每个方向均有P×1维波束矢量步骤2-3)对各阵元进行加权:各阵元的权值为ωi,i=1,...,P;由波束矢量和权值构造矩阵Gq:步骤2-4)K个子阵波束形成结果组成的矢量形式为步骤2-5)将K个子阵波束形成后的输出看作一个虚拟阵元的输出,则K个子阵波束形成结果的矢量形式为虚拟线阵的输出:利用θq,q=1,...,N方向上的子阵波束形成结果Yq计算协方差矩阵计算N个协方差矩阵的平均矩阵作为上述方法的一种改进,所述步骤3)中高分辨率DOA估计算法采用子空间分解类算法;所述子空间分解类算法包括以MUSIC算法为代表的噪声子空间类算法和以ESPRIT算法为代表的信号子空间类算法。本专利技术的优点在于:1、相比于盖世圆方法、信息论方法等信源数估计方法,本专利技术的方法通过信号方位谱估计信源个数的方法更适用于环境复杂、存在干扰和多途信号的情况;2、本专利技术的方法对子阵做指定方向的波束形成,相当于对信号进行空域滤波,在增强指定方向信号强度的同时,滤掉其他方向来波的干扰,提高了信噪比,使算法在低信噪比条件下也能保持良好的估计性能;3、本专利技术的方法在得到平均协方差矩阵时,对多个方向波束形成结果的协方差矩阵进行了平均,是一个解相干的过程,效果类似于空间平滑,保证矩阵不会因为相干信源而产生秩亏缺,使某些本在相干信源条件下失效的高分辨率DOA估计算法此时也能适用。附图说明图1(a)为本专利技术基于子阵划分的波束域成像方法的流程图;图1(b)为本专利技术的方法利用UESPRIT算法进行DOA估计的子流程图;图1(c)为本专利技术的方法利用Root-MUSIC算法进行DOA估计的子流程图;图2为本专利技术的方法与UESPRIT算法结合时在不同子阵数下估计均值图;图3为本专利技术的方法与UESPRIT算法结合时在不同子阵数下估计均方差图;图4为本专利技术的方法与UESPRIT算法结合时在不同信噪比下角度估计结果均值图;图5为本专利技术的方法与UESPRIT算法结合时在不同信噪比下角度估计结果均方差图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行详细的说明。如图1(a)所示,一种基于子阵划分的波束域成像方法,所述方法包括:(1)高分辨率测深侧扫声纳接收系统由多条间距为半波长的接收阵组成。可以把每条接收阵接收到的信号经解调、滤波、采样后的结果都看作是一个阵元的输出,共有M条接收阵,则这些接收线阵的组合可以看作是一条阵元数为M、阵元间距为半波长的均匀线阵。考虑有N个角度分别为θ1,...,θN的远场窄带信号入射到该阵列上,在t时刻接收机得到的输出可以表示为x(t)=As(t)+n(t),其中A=[a(θ1),a(θ2),...,a(θN)]表示M×N维阵列流型矩阵。矩阵的每一列为第i个平面波的导向矢量,θi为第i个信源真实的方向,d表示阵元间距,λ表示信号波长。s(t)表示t时刻N×1维空间信号,n(t)为t时刻接收的M×1维与信号不相关的加性高斯白噪声。对于多次快拍数据,接收机得到的输出可进一步表示为X=AS+N,其中X=[x(1),x(2),...,x(L)]∈CM×L为L个快拍下的接收信号矩阵,S=[s(1),s(2),...本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于子阵划分的波束域成像方法,所述方法包括:步骤1)利用均匀线阵的接收信号的方位谱估计目标信号源个数和方向;步骤2)将均匀线阵划分为多个尺寸相同、相互重叠的子阵,对各子阵接收信号做指定方向的空域滤波得到每个子阵的波束形成结果;把每个子阵的波束形成结果看作一个虚拟阵元的输出,将各虚拟阵元组合成一条虚拟线阵并计算虚拟线阵的输出;步骤3)基于虚拟线阵的输出利用高分辨率DOA估计算法实现回波方向的估计。

【技术特征摘要】
1.一种基于子阵划分的波束域成像方法,所述方法包括:步骤1)利用均匀线阵的接收信号的方位谱估计目标信号源个数和方向;步骤2)将均匀线阵划分为多个尺寸相同、相互重叠的子阵,对各子阵接收信号做指定方向的空域滤波得到每个子阵的波束形成结果;把每个子阵的波束形成结果看作一个虚拟阵元的输出,将各虚拟阵元组合成一条虚拟线阵并计算虚拟线阵的输出;步骤3)基于虚拟线阵的输出利用高分辨率DOA估计算法实现回波方向的估计。2.根据权利要求1所述的基于子阵划分的波束域成像方法,其特征在于,所述步骤1)具体包括:步骤1-1)所述均匀线阵接收回波信号,其快拍数据为X;所述均匀线阵包括M个阵元,各阵元有着相同的指向性,阵元间距为d;步骤1-2)构造基于DSFT的密集波束域转换矩阵:其中,u(η)=[1,ejπη,...,ej(M-1)πη]T为M×1维DSFT波束形成向量,η为参数;W为波束密集系数,W≥1,矩阵的每一列向量为角度方向上的波束矢量;步骤1-3)计算快拍数据X的方位谱估计:其中(·)H表示共轭转置,diag(·)表示矩阵的对角线元素;步骤1-4)以各方向输出功率的平均值为门限,将功率大于门限的功率谱峰值的...

【专利技术属性】
技术研发人员:刘晓东姚琳曹金亮张东升王舒文王晏宾
申请(专利权)人:中国科学院声学研究所
类型:发明
国别省市:北京,11

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