一种密布式MIMO声纳自适应波束形成探测方法技术

本发明专利技术涉及一种密布式MIMO声纳自适应波束形成探测方法，该方法首先根据发射分集平滑(TDS：transmission diversity smoothing)特性的解相干效果设计MIMO声纳阵型，其次通过对回波信号进行联合匹配滤波处理，在保留发射阵TDS特性的基础上改善信噪比，继而对联合匹配滤波输出进行自适应波束形成处理，并进一步对自适应波束输出采用频分匹配滤波和发射阵波束形成处理，获得距离维上的带宽合成效果。该方法可以同时改善主动声纳的角度维和距离维探测性能，获得优于传统SIMO声纳的探测效果。

A dense MIMO sonar adaptive beamforming detection method

【技术实现步骤摘要】
一种密布式MIMO声纳自适应波束形成探测方法
本专利技术属于阵列信号处理领域，特别涉及一种密布式MIMO声纳自适应波束形成探测方法。
技术介绍
在声纳探测领域中，常采用单个阵元发射、多个阵元接收的主动声纳系统(VanTrees,HarryL.Detection,estimation,andmodulationtheory:pt.1.:Detection,estimation,andlinearmodulation[M].Wiley,1968.)。这类传统主动声纳可归类为单输入多输出(SIMO:single-inputmultiple-output)声纳，简称为SIMO声纳。为了获得高质量的探测结果，如何提高声纳系统的角度分辨率和距离分辨率十分重要。然而，SIMO声纳在每个脉冲周期内只能发射单一波形信号，来自不同目标的回波具有极强的相关性甚至是相干的，导致直接运用自适应波束形成算法时会面临角度分辨率急剧下降的问题。同时，若要提高距离分辨率，则需增大发射信号带宽，这会带来系统硬件成本和复杂度增加的问题。不同于传统的SIMO声纳，多输入多输出(MIMO:multiple-inputmultiple-output)声纳具有一定的优势(孙超,刘雄厚.MIMO声纳:概念与技术特点探讨[J].声学技术,2012,31(2):117-124.)。虽然MIMO声纳与SIMO声纳均是采用多个阵元接收的空域分集技术，但是MIMO声纳在每个脉冲周期内能够使用多个正交波形照射目标，当发射阵元个数大于目标个数时可以获得发射分集平滑特性，这就允许了自适应高分辨参数估计算法的直接应用。同时，MIMO声纳能够通过发射频率分集信号在接收处合成具有更大带宽的信号，进而可获得较高的距离分辨率。因此，如何在利用MIMO声纳的基础上设计一种行之有效的多目标探测方法是亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：为了克服现有SIMO声纳探测能力的不足，本专利技术提出一种使用密布式MIMO声纳进行自适应波束形成探测的方法。该方法首先根据发射分集平滑(TDS：transmissiondiversitysmoothing)特性的解相干效果设计MIMO声纳阵型，其次通过对回波信号进行联合匹配滤波处理，在保留发射阵TDS特性的基础上改善信噪比，继而对联合匹配滤波输出进行自适应波束形成处理，并进一步对自适应波束输出采用频分匹配滤波和发射阵波束形成处理，获得距离维上的带宽合成效果。该方法可以同时改善主动声纳的角度维和距离维探测性能，获得优于传统SIMO声纳的探测效果。本专利技术的技术方案是：一种密布式MIMO声纳自适应波束形成探测方法，包括以下步骤：步骤一：定义M元发射阵和N元接收阵均为密布式排列，且共同构成单基地声纳模式，其中发射阵元个数M≥3，接收阵元个数N≥8。MIMO声纳工作中心频率为f0，水下声速为c，则对应的波长λ＝c/f0，发射阵和接收阵的几何中心相互重合，二者相对于远场目标的角度相同。在只考虑目标和声纳处于同一水平面上时，设MIMO声纳的观测空间为θ＝{θq|q＝1,2,…,Q}，其中θq表示第q(q＝1,2,…,Q)个观测角度，假设远场环境中存在P(P<M)个特性相同的目标，令MIMO声纳相对于第p(p＝1,2,…,P)个目标的角度为θp；其中，若MIMO声纳阵型为圆环阵，则发射圆环阵半径R和接收圆环阵半径r的取值需要满足R≥0.5×r；若MIMO声纳阵型为直线阵，则发射直线阵相邻两阵元间距dt的取值需要满足dt≥λ/2；步骤二：MIMO声纳的信号发射与回波采集，包括以下子步骤：子步骤一：M元发射阵同时发射M个相互正交的脉冲信号，以频分线性调频信号(FD-LFM)为例，脉冲信号的带宽相等且频带互不重合。设第m(m＝1,2,…,M)个脉冲信号为sm(t)，其表达式为：其中，，fm表示不同发射信号的中心频率，t表示时间，A表示信号幅度，k表示调频斜率，T表示发射信号脉宽；子步骤二：为简化分析，忽略回波信号的多普勒频移以及扩散损失和介质吸收损失，仅考虑目标散射强度对回波信号强度的影响时，N元接收阵上的回波信号x(t)可以表示为：其中，s(t)＝[s1(t)s2(t)…sM(t)]T，xn(t)表示第n(n＝1,2,…,N)个接收阵元上的回波信号，[]T表示转置，βp表示第p个目标的散射强度，at(θp)表示发射阵到达第p个目标的方向向量，ar(θp)表示第p个目标到达接收阵的方向向量，n(t)表示接收阵元上的噪声向量；步骤三：使用联合匹配滤波和自适应波束形成处理，获得目标的自适应波束输出，包括以下子步骤：子步骤一：利用M个脉冲信号的拷贝之和分别对N个接收阵元上的回波信号进行联合匹配滤波处理。联合匹配滤波器的冲击响应函数h(t)可以表示为：其中，[]C表示复共轭，T表示发射信号脉宽；sm(T-t)表示第m(m＝1,2,…,M)个脉冲信号的拷贝。子步骤二：第n(n＝1,2,…,N)个接收阵元上的联合匹配滤波输出可以表示为：yn(t)＝xn(t)*h(t)其中，*表示卷积，t表示时间，h(t)表示联合匹配滤波器的冲击响应函数。通过yn(t)构造N个接收阵元上的联合匹配滤波输出向量y(t)，可以表示为：y(t)＝[y1(t)y2(t)…yN(t)]T这里的N是指N个接收阵元上的N个输出。子步骤三：通过接收阵元上的联合匹配滤波输出向量y(t)，构建信号的协方差矩阵R：R＝E[y(t)yH(t)]其中，E[]表示求数学期望，[]H表示共轭转置；此时自适应波束形成器的加权向量w(θ)可以表示为：其中，a(θ)表示接收阵的阵列流形向量，θ＝{θq|q＝1,2,…,Q}表示观测空间；子步骤四：根据上一步骤得到的自适应波束形成器的加权向量w(θ)，对接收阵元上的联合匹配滤波输出进行加权求和处理，获得的自适应波束输出向量B(θ；t)可以表示为：B(θ；t)＝w(θ)Hy(t)其中，[]H表示共轭转置。步骤四：使用频分匹配滤波和发射阵波束形成处理，获得目标的角度-距离二维探测结果，包括以下子步骤：子步骤一：使用M个脉冲信号拷贝的自相关函数对所有Q个角度上的自适应波束输出进行频分匹配滤波处理。第m(m＝1,2,…,M)个频分匹配滤波器的冲击响应函数h′m(t)可以表示为：h′m(t)＝sm(t)*[sm(T-t)]C则第q个角度θq上的第m个频分匹配滤波输出y′m(t；θq)可以表示为：y′m(t；θq)＝B(t；θq)*h′m(t)其中B(t；θq)表示角度θq(q＝1,2,…,Q)上的自适应波束输出，[]C表示复共轭；子步骤二：利用子步骤一得到的y′m(t；θq)，构造M个频段上的频分匹配滤波输出向量y'(t；θq)，可以表示为：y'(t；θq)＝[y′1(t；θq)y′2(t；θq)…y′M(t；θq)]T子步骤三：通过对各个频段上的频分匹配滤波输出进行发射阵波束形成处理以获得目标距离维上的聚焦效果，该过程可以表示为：B'(t；θq)＝at(θq)Hy'(t；θq)其中at(θq)表示发射阵在角度θq上的方向向量。子步骤四：利用子步骤三得到的B'(t；θq)构造Q个角度上的发射阵波束形成输出向量B'(t；θ)，可以表示为：B'(t；θ)＝[B'(t；θ1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种密布式MIMO声纳自适应波束形成探测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：定义M元发射阵和N元接收阵均为密布式排列，且共同构成单基地声纳模式，其中发射阵元个数M≥3，接收阵元个数N≥8；MIMO声纳工作中心频率为f0，水下声速为c，则对应的波长λ＝c/f0，发射阵和接收阵的几何中心相互重合，二者相对于远场目标的角度相同；在只考虑目标和声纳处于同一水平面上时，设MIMO声纳的观测空间为θ＝{θq|q＝1,2,…,Q}，其中θq表示第q(q＝1,2,…,Q)个观测角度，假设远场环境中存在P(P<M)个特性相同的目标，令MIMO声纳相对于第p(p＝1,2,…,P)个目标的角度为θp；其中，若MIMO声纳阵型为圆环阵，则发射圆环阵半径R和接收圆环阵半径r的取值需要满足R≥0.5×r；若MIMO声纳阵型为直线阵，则发射直线阵相邻两阵元间距dt的取值需要满足dt≥λ/2；步骤二：MIMO声纳的信号发射与回波采集，包括以下子步骤：子步骤一：M元发射阵同时发射M个相互正交的脉冲信号，设第m(m＝1,2,…,M)个脉冲信号为sm(t)，其表达式为：

【技术特征摘要】
1.一种密布式MIMO声纳自适应波束形成探测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：定义M元发射阵和N元接收阵均为密布式排列，且共同构成单基地声纳模式，其中发射阵元个数M≥3，接收阵元个数N≥8；MIMO声纳工作中心频率为f0，水下声速为c，则对应的波长λ＝c/f0，发射阵和接收阵的几何中心相互重合，二者相对于远场目标的角度相同；在只考虑目标和声纳处于同一水平面上时，设MIMO声纳的观测空间为θ＝{θq|q＝1,2,…,Q}，其中θq表示第q(q＝1,2,…,Q)个观测角度，假设远场环境中存在P(P<M)个特性相同的目标，令MIMO声纳相对于第p(p＝1,2,…,P)个目标的角度为θp；其中，若MIMO声纳阵型为圆环阵，则发射圆环阵半径R和接收圆环阵半径r的取值需要满足R≥0.5×r；若MIMO声纳阵型为直线阵，则发射直线阵相邻两阵元间距dt的取值需要满足dt≥λ/2；步骤二：MIMO声纳的信号发射与回波采集，包括以下子步骤：子步骤一：M元发射阵同时发射M个相互正交的脉冲信号，设第m(m＝1,2,…,M)个脉冲信号为sm(t)，其表达式为：其中，，fm表示不同发射信号的中心频率，t表示时间，A表示信号幅度，k表示调频斜率，T表示发射信号脉宽；子步骤二：为简化分析，忽略回波信号的多普勒频移以及扩散损失和介质吸收损失，仅考虑目标散射强度对回波信号强度的影响时，N元接收阵上的回波信号x(t)可以表示为：其中，s(t)＝[s1(t)s2(t)…sM(t)]T，xn(t)表示第n(n＝1,2,…,N)个接收阵元上的回波信号，[]T表示转置，βp表示第p个目标的散射强度，at(θp)表示发射阵到达第p个目标的方向向量，ar(θp)表示第p个目标到达接收阵的方向向量，n(t)表示接收阵元上的噪声向量；步骤三：使用联合匹配滤波和自适应波束形成处理，获得目标的自适应波束输出，包括以下子步骤：子步骤一：利用M个脉冲信号的拷贝之和分别对N个接收阵元上的回波信号进行联合匹配滤波处理；联合匹配滤波器的冲击响应函数h(t)可以表示为：其中，[]C表示复共轭，T表示发射信号脉宽；sm(T-t)表示第m(m＝1,2,…,M)个脉冲信号的拷贝；子步骤二：第n(n＝1,2,…,N)个接收阵元上的联合匹配滤波输出可以表示为：yn(t)＝xn(...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雄厚，伍镜蓉，孙超，杨益新，卓颉，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61