柔性阵波束形成稳健化实现方法技术

本发明专利技术提供了一种柔性阵波束形成稳健化实现方法，其特征在于包括以下步骤：对拖线阵进行分段得到若干子阵；对靠近拖缆的第一子阵使用自适应波束形成技术，得到第一子阵的波束输出；后续各子阵在波束指向上与第一子阵相同，使用扰动矩阵和扰动向量分别补偿后续各子阵接收数据和第一子阵波束输出，采用优化技术分别得到后续各子阵的权值；后续各子阵权值分别对对应的各子阵接收数据进行加权，得到后续各子阵波束输出；将各子阵波束输出进行非相干叠加，得到全阵波束输出。本发明专利技术的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种柔性阵波束形成稳健化实现方法，有效解决了波束形成技术受限于阵形畸变的问题。

Robust implementation of flexible array beamforming

【技术实现步骤摘要】
柔性阵波束形成稳健化实现方法
本专利技术涉及声纳
，具体涉及一种柔性阵波束形成稳健化实现方法。
技术介绍
拖曳线列阵远离拖船，使得平台自噪声对阵列性能的影响减小；能够改变工作深度，更好的利用水文环境；没有拖船本身空间的限制，阵列尺寸设计较大。与传统声纳相比，其具备阵列孔径大，探测距离远，测量精度高等优势。但由于受到水流，内波等因素影响，通常情况下，拖线阵的阵形发生畸变，使得各阵元实际位置偏离理想位置。在进行波束形成时，导向矢量存在偏差，目标探测性能严重下降。因此，提升线列阵在畸变情况下的稳健性显得十分重要。阵形估计是目前解决阵形畸变的主要手段之一，阵形估计方法主要分为非声学估计方法和声学估计方法。非声学方法主要有两种，插值拟合法和流体力学法。插值拟合法是在声阵不同部位加装姿态传感器(如航向传感器，深度传感器等)，对传感器传回的阵列姿态信息进行多项式拟合，从而估计出阵形。这类方法，对传感器的测量精度要求较高。流体力学法主要是对声纳的受力进行分析，通过求解力学方程进行阵形估计。这类方法计算量大，难以实时进行阵形估计。声学方法主要是通过对阵元接收到的数据分析来反推出阵形，如陡度法和特征矢量法。声学类方法估计误差大，计算复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种柔性阵波束形成稳健化实现方法，有效解决了波束形成技术受限于阵形畸变的问题。本专利技术提供了一种柔性阵波束形成稳健化实现方法，其特征在于包括以下步骤：对拖线阵进行分段得到若干子阵；对靠近拖缆的第一子阵使用自适应波束形成技术，得到第一子阵的波束输出；后续各子阵在波束指向上与第一子阵相同，使用扰动矩阵和扰动向量分别补偿后续各子阵接收数据和第一子阵波束输出，采用优化技术分别得到后续各子阵的权值；后续各子阵权值分别对对应的各子阵接收数据进行加权，得到后续各子阵波束输出；将各子阵波束输出进行非相干叠加，得到全阵波束输出。上述技术方案中，还包括以下步骤：根据各子阵波束输出和输出数据协方差矩阵计算各子阵的能量输出；将各子阵能量输出进行非相干叠加，得到全阵能量输出。上述技术方案中，对全阵划分为J段，将靠近拖揽的子阵命名为第一子阵，阵元数为N1；对拖线阵的剩余阵元均匀划分子阵，拖线阵总阵元数为N，则其余各子阵阵元数为(N-N1)/(J-1)，记第i个阵元接收到的数据为Xi，则Xi为：记第i个阵元在第l个采样时刻所得到的数据为xi(l)，则第i个阵元接收到的数据矩阵Xi为Xi＝[xi(1)，xi(2)，L，xi(l)，L，xi(L)]i＝1，2，....，N，；l＝1，2，...，L(1)其中，L为采样数据快拍数；记第一子阵接收到的信号为Z1，则Z1为：上述技术方案中，第一子阵使用MVDR波束形成算法，第一子阵的权值为其中A0(θ)为第一子阵导向矢量，R＝E[Z1Z1H]为第一子阵阵列输出协方差矩阵；则第一子阵的波束输出y1为：y1＝ω1H(θ)Z1(4)上述技术方案中，记第j子阵接收数据为Zj，其权值为ωj(θ)，由于各子阵波束输出为同一目标，使用扰动矩阵E补偿Zj，使用扰动向量e补偿第一子阵波束输出，则满足如下公式根据上式推导求得第j子阵的权值ωj(θ)并代入下式计算得到第j子阵的波束输出为则拖线阵波束输出为youtput＝∑yjj＝1,2,L,J(19)上述技术方案中，第j子阵的能量输出为其中，为第j子阵的输出数据协方差矩阵。则拖线阵能量输出为Pout＝∑Pj(21)上述技术方案中，公式(6)的推导步骤如下：将公式(6)等价为：(C+D)z＝0(8)其中为增广矩阵，D＝[-e,E]为扰动增广矩阵；E为补偿矩阵，e为扰动向量为((N-N1)/(J-1)+1)×1维向量；此时，式(8)可以表示为约束优化问题F表示F范数，s.t.表示约束条件，如果z是一个单位范数向量，将(8)改写为Cz＝r＝-Dz，则模型又可等价为一个带约束的标准最小二乘问题；s.t.zHz＝1(10)r可视为方程Cz＝0的总体最小二乘解z的误差向量；z是使得误差平方和为最小的最小二乘解；使用拉格朗日乘数法进行求解，记目标函数为由于将式(12)带入式(11)，使L对z*求偏导并令其等于0，得到CHCz＝λz(13)由公式(13)可知，λ为CHC的最小特征值(C的最小奇异值的平方)，而总体最小二乘解z是与最小奇异值对应的右奇异向量，最小奇异值存在多重，求总体最小二乘解的最小范数解；对增广矩阵C进行奇异值(SVD)分解得其中，U为左奇异向量；V为右奇异向量；σ1/σ2，代表的是第一个奇异值，第二个奇异值…利用选择主奇异值的个数p；其中，ε是个很小的正数；令是V的列分块形式，v是V的列向量，vp+1为V的第p+1列向量，其余以此类推；计算Householder变换矩阵Q得到其中，α是一个标量，×代表不起作用的块，y代表式(15)中等式右边矩阵中第一列元素去除α后剩下的元素；若α≠0，则ωj(θ)＝y/α；若α＝0，减小p，使得p＝p-1，重复上述步骤，直到求出第j子阵的权值ωj(θ)。上述技术方案中，求ωj(θ)只需要使用[α,yT]T，不必计算整个Q矩阵，只需要计算出Q的第一列即可，通常，将V1的第一行取复数共轭作为Q的第一列，对V1作如下分块其中，为矩阵V1的第一行，为矩阵V1除去第一行剩余数据；则第j子阵的权值ωj(θ)为本专利技术的拖线阵随拖船运动，仅在水平面发生畸变。本专利技术第一子阵采用的自适应波束形成技术，可以是最小方差无畸变响应等技术，适用于不同的环境。本专利技术各子阵的优化技术，泛指线性、非线性技术，考虑到实时性要求，不建议采用复杂迭代寻优技术。与现有技术相比，本专利技术提出一种柔性阵波束形成稳健化技术，可在不对畸变阵形进行阵形估计的情况下实现全阵稳健波束输出，具有计算量小，测量精度高，使用方便等优点，有效解决了波束形成技术受限于阵形畸变的问题。不需要阵形估计，仅需要采用子阵拟合，简单高效且易操作。附图说明图1是为阵形畸变示意图；图2是为本专利技术模型示意图；图3是为具体实施例畸变阵形；图4是使用MVDR和本文方法效果对比图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明，便于清楚地了解本专利技术，但它们不对本专利技术构成限定。阵形畸变示意如图1所示，图中三角形直线为理想情况下的均匀直线阵，每一个三角形代表一个阵元。在理想情况下，拖线阵呈直线，无畸变。但拖线阵在实际海洋环境中工作时，拖线阵收到海流、内波、拖船机动等本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性阵波束形成稳健化实现方法，其特征在于包括以下步骤：/n对拖线阵进行分段得到若干子阵；/n对靠近拖缆的第一子阵使用自适应波束形成技术，得到第一子阵的波束输出；/n后续各子阵在波束指向上与第一子阵相同，使用扰动矩阵和扰动向量分别补偿后续各子阵接收数据和第一子阵波束输出，采用优化技术分别得到后续各子阵的权值；/n后续各子阵权值分别对对应的各子阵接收数据进行加权，得到后续各子阵波束输出；/n将各子阵波束输出进行非相干叠加，得到全阵波束输出。/n

【技术特征摘要】
1.一种柔性阵波束形成稳健化实现方法，其特征在于包括以下步骤：
对拖线阵进行分段得到若干子阵；
对靠近拖缆的第一子阵使用自适应波束形成技术，得到第一子阵的波束输出；
后续各子阵在波束指向上与第一子阵相同，使用扰动矩阵和扰动向量分别补偿后续各子阵接收数据和第一子阵波束输出，采用优化技术分别得到后续各子阵的权值；
后续各子阵权值分别对对应的各子阵接收数据进行加权，得到后续各子阵波束输出；
将各子阵波束输出进行非相干叠加，得到全阵波束输出。


2.根据权利要求1所述的柔性阵波束形成稳健化实现方法，其特征在于：还包括以下步骤：
根据各子阵波束输出和输出数据协方差矩阵计算各子阵的能量输出；将各子阵能量输出进行非相干叠加，得到全阵能量输出。


3.根据权利要求2所述的柔性阵波束形成稳健化实现方法，其特征在于对全阵划分为J段，将靠近拖揽的子阵命名为第一子阵，阵元数为N1；对拖线阵的剩余阵元均匀划分子阵，拖线阵总阵元数为N，则其余各子阵阵元数为(N-N1)/(J-1)，记第i个阵元接收到的数据为Xi，则Xi为：
记第i个阵元在第l个采样时刻所得到的数据为xi(l)，则第i个阵元接收到的数据矩阵Xi为
Xi＝[xi(1),xi(2),L,xi(l),L,xi(L)]i＝1,2,....,N,；l＝1,2,...,L
(1)
其中，L为采样数据快拍数；
记第一子阵接收到的信号为Z1，则Z1为：





4.根据权利要求3所述的柔性阵波束形成稳健化实现方法，其特征在于第一子阵使用MVDR波束形成算法，第一子阵的权值为



其中A0(θ)为第一子阵导向矢量，R＝E[Z1Z1H]为第一子阵阵列输出协方差矩阵；则第一子阵的波束输出y1为：
y1＝ω1H(θ)Z1(4)


5.根据权利要求4所述的柔性阵波束形成稳健化实现方法，其特征在于记第j子阵接收数据为Zj，其权值为ωj(θ)，由于各子阵波束输出为同一目标，使用扰动矩阵E补偿Zj，使用扰动向量e补偿第一子阵波束输出，则满足如下公式



根据上式推导求得第j子阵的权值ωj(θ)并代入下式计算得到第j子阵的波束输出为



则拖线阵波束输出为
youtput＝∑yjj＝1，2，...，J(19)


6.根据权利要求5所述的柔性阵波束形成稳健化实现方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：幸高翔，陆代强，姚直象，张森，姜可宇，程广利，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42