一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法技术

本发明专利技术公开了一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法，包括以下步骤：S1、构造阵列空间坐标矩阵，S2、阵列姿态变换，S3、建立阵列信号模型，S4、波束形成，S5、波束性能估计。本发明专利技术在设计声基阵阵形时可以直接选择预设的常用阵列形式，也可以通过加载阵元坐标数据快速得到其他不规则的阵形，并可以通过设置姿态参数改变声基阵的空间位置。本发明专利技术还可以在阵形设计完成的基础上，设置好信号参数和波束参数后，选择不同的波束形成器，绘制水平方向、垂直方向以及三维立体波束图，通过主瓣方向、主瓣高度、主瓣宽度、旁瓣高度、栅瓣高度等对波束形成器进行性能估计，对比不同参数和不同算法下的波束性能可以方便设计者进行声纳参数和波束形成算法优选。

A performance estimation method of sonar beamformer with arbitrary array

【技术实现步骤摘要】
一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法
本专利技术属于声纳阵列信号处理
，具体涉及一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法。
技术介绍
声纳是利用声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备。声纳有很多种类，并且分类方法也很多。笼统地可分为军用和民用两类；按工作原理或工作方式划分，可分为主动式声纳和被动式声纳；按装置体系分类，可分为舰用声纳、潜艇用声纳、岸用声纳、航空吊放声纳和声纳浮标、海底声纳等；按工作性质分类，可分为通信声纳、探测声纳、水下制导声纳，水声对抗系统等。但是所有声纳都有共性，都有基本不变的结构。它们的系统组成都是由干端和湿端组成。所不同的只是配置不同，复杂程度不同，因而所能完成的功能也不同。声基阵阵形设计是声纳系统设计的基础。基阵是指将若干个换能器按照一定规律构成的具有一定形状的阵列。基阵的结构形状一般由其安装空间决定，阵元数目则受信号场空间相关半径与设备成本决定。常用的阵列形式有均匀线阵、均匀圆阵、面阵、圆柱阵、共形阵等。波束形成技术是指将各阵元的信号进行加权求和，在一时间内将阵列波束导向到一个方向上。基阵和波束形成处理相结合，构成空间滤波器，用于提高声纳设备的空间增益、测向精度、分辨力等性能。在设计一部声纳之初，都需要对声基阵阵形和波束图进行分析，以考察该声纳性能的优劣。若每次针对不同的阵形和不同的波束形成处理方法都进行一次分析的话，工作效率是很低的。因此，若开发一种能对任意阵形的声纳波束形成器性能进行估计的方法，可以显著提高设计效率，并增加分析结果的可靠性。>
技术实现思路
为解决现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了如下的技术方案：本专利技术提供一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法，包括以下步骤：S1、构造阵列空间坐标矩阵，根据阵列类型获得所有阵元的坐标位置pi(x,y,z)，然后构造基阵全部阵元坐标矩阵：P＝[p1·p2,...,pN],S2、阵列姿态变换，包括以下步骤：S21、读取艏向角a、纵摇角b、横摇角c三个姿态参数，计算姿态转换矩阵T：S22、将阵列各阵元坐标矩阵P与姿态转换矩阵T相乘，得到新的坐标矩阵即姿态变换后各阵元的坐标位置；S3、建立阵列信号模型，包括以下步骤：首先假设信号从球面角入射到基阵，定义信号传播方向的单位向量为：根据各阵元坐标向量，计算信号到达各阵元相对于参考点的时间延迟：τi＝uTpi/c，i＝1,…,N然后读取频率f0、带宽B、采样率FS信号参数，构造参考点接收到的信号s(t)；于是，第i个阵元接收到的信号为si(t)＝s(t-τi),i＝1,…,N这是时域信号形式，将其进行傅里叶变换，有令则称为阵列的方向矢量，当波长和阵列的几何结构确定时，其只与空间角有关；改变空间角使方向矢量在三维空间内扫描，所形成的集合称作阵列流形，阵列流形用符号A表示，即假设同时有K个具有相同中心频率ω0的信号分别以空间角Θ1,Θ2,…,ΘK入射到该阵列，这里这时，阵列信号模型可以用矩阵简练地表示为：X(t)＝A(Θ)S(t)+N(t)；S4、波束形成，对于接收信号x(n)，波束形成的过程可以用下式来表述：其中，w＝[w1,w2,…,wN]T是波束形成权向量，y(n)是波束形成输出；用表示波束输出功率，则其中，RX＝E[x(t)xH(t)]为阵列输出的协方差矩阵；S5、波束性能估计，包括以下步骤：波束形成器通过波束图的主瓣方向、主瓣高度、主瓣宽度、旁瓣高度、栅瓣高度指标的大小来描述其性能。作为本专利技术的一种优选技术方案，步骤S1构造阵列空间坐标矩阵，包括以下步骤：S11、读取阵列类型；S12、判断阵列类型，其中预设的阵列类型包含均匀直线阵、均匀圆环阵、平面阵、圆柱阵、以及不规则阵形；若阵列类型不是常规阵形，则进入步骤S13，若阵列类型是常规阵形，则进入步骤S14；S13、读取不规则阵形的阵列坐标数据，然后进入步骤S15；S14、根据阵列类型输入阵列结构参数，输入对应阵元个数和阵元间距参数后，选取一个阵元作为参考原点，计算基阵所有阵元的坐标位置pi(x,y,z)；S15、构造基阵全部阵元坐标矩阵：P＝[p1·p2,…,pN]。作为本专利技术的一种优选技术方案，步骤S22得到新的坐标矩阵即姿态变换后各阵元的坐标位置后，绘制三维布阵示意图用于直观查看声基阵在空间中的姿态。作为本专利技术的一种优选技术方案，步骤S5中主瓣方向是极大值所在的方向；若主瓣方向为根据预设的波束方位角θ0和俯仰角计算主瓣方向与预设波束指向的偏差从该偏差的大小用于衡量波束指向的精度；步骤S5中主瓣高度就是的最大值；对于相同的阵列接收信号，未归一化之前的主瓣高度也是衡量波束性能的重要指标之一；步骤S5中从极大值开始，下降到最大值的的地方，则2θ为水平方向上的主瓣宽度，为垂直方向上的主瓣宽度；波束的主瓣宽度反应了系统对目标的方位分辨力，通常希望主瓣较窄，但并不是越窄越好，还要根据硬件资源和预形成的波束数来选择合适的主瓣宽度；步骤S5中除极大值之外的次极大值称为旁瓣，最大旁瓣值与主瓣值之比取对数的分贝值，称为旁瓣高度；通常希望旁瓣高度尽可能低，以抑制来自旁瓣区域的干扰，降低目标检测的虚警概率；步骤S5中栅瓣是波束图中与主瓣高度相同或接近的波瓣；出现栅瓣的物理原因与主瓣相同，即在这些方向上基阵各阵元信号同相叠加；栅瓣也会造成虚警，因此通常希望波束图中不出现栅瓣；波束图的这几个指标之间不是独立的，而是相互关联的，在设计时通过对比分析以上指标，方便设计者选择满足需要的、综合性能最优的声纳参数和波束形成器。本专利技术的有益效果是：本专利技术在设计声基阵阵形时可以直接选择预设的常用阵列形式，也可以通过加载阵元坐标数据快速得到其他不规则阵形，并可以通过设置姿态参数改变声基阵的空间位置。本专利技术还可以在阵形设计完成的基础上，设置好信号参数和波束参数后，通过选择不同的波束形成方法，绘制水平方向、垂直方向以及三维立体波束图，对比不同参数和不同算法下的主瓣方向、主瓣高度、主瓣宽度、旁瓣高度、栅瓣高度等，方便设计者进行声纳参数和波束形成算法优选。附图说明图1是本专利技术一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法的工作流程图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。为了达到本专利技术的目的，如图1所示，在本专利技术的其中一种实施方式中提供一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法，包括以下步骤：S1、构造阵列空间坐标矩阵，包括以下步骤：S11、读取阵列类型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、构造阵列空间坐标矩阵，根据阵列类型获得所有阵元的坐标位置p

【技术特征摘要】
1.一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构造阵列空间坐标矩阵，根据阵列类型获得所有阵元的坐标位置pi(x,y,z)，然后构造基阵全部阵元坐标矩阵：
P＝[p1·p2,...,pN]
S2、阵列姿态变换，包括以下步骤：
S21、读取艏向角a、纵摇角b、横摇角c三个姿态参数，计算姿态转换矩阵T：



S22、将阵列各阵元坐标矩阵P与姿态转换矩阵T相乘，得到新的坐标矩阵即姿态变换后各阵元的坐标位置；
S3、建立阵列信号模型，包括以下步骤：
首先假设信号从球面角入射到基阵，定义信号传播方向的单位向量为：



根据各阵元坐标向量，计算信号到达各阵元相对于参考点的时间延迟：
τi＝uTpi/c，i＝1,…,N
然后读取频率f0、带宽B、采样率FS信号参数，构造参考点接收到的信号s(t)；于是，第i个阵元接收到的信号为
si(t)＝s(t-τi),i＝1,…,N
这是时域信号形式，将其进行傅里叶变换，有



令



则



称为阵列的方向矢量，当波长和阵列的几何结构确定时，其只与空间角有关；改变空间角使方向矢量在三维空间内扫描，所形成的集合称作阵列流形，阵列流形用符号A表示，即



假设同时有K个具有相同中心频率ω0的信号分别以空间角Θ1,Θ2,…,ΘK入射到该阵列，这里这时，阵列信号模型可以用矩阵简练地表示为：
X(t)＝A(Θ)S(t)+N(t)；
S4、波束形成，对于接收信号x(n)，波束形成的过程可以用下式来表述：



其中，w＝[w1,w2,…,wN]T是波束形成权向量，y(n)是波束形成输出；
用表示波束输出功率，则



其中，RX＝E[x(t)xH(t)]为阵列输出的协方差矩阵；
S5、波束性能估计，包括以下步骤：
波束形成器通过波束图的主瓣方向、主瓣高度、主瓣宽度、旁瓣高度、栅瓣高度指标的大小来描述其性能。


2.根据权利要求1所述的任意阵形的声纳波束形成器性...

【专利技术属性】
技术研发人员：李玉娟，李思博，陈静，
申请(专利权)人：海鹰企业集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32