一种快速频域宽带MVDR声纳波束形成方法技术

本发明专利技术公开了一种快速频域宽带MVDR声呐波束形成方法，通过采集设备获取声纳阵元域数据，做FFT将其转换到频域，取对应滤波截止频率范围内的数据，所得数据对应的频点乘以对应相位差，构建协方差矩阵，计算输出功率。经与实际装备比对测试，本发明专利技术方法的波束宽度为CBF的1/2左右，对相干噪声的抑制能力比CBF算法提升约6

【技术实现步骤摘要】
一种快速频域宽带MVDR声纳波束形成方法


[0001]本专利技术属于水声工程领域，涉及一种快速频域宽带MVDR声纳波束形成方法。

技术介绍

[0002]水声阵列信号处理主要是利用声信号的空域特性来增强信号及有效提取信号空域信息。与传统的单个定向传感器相比，水声阵列信号处理具有灵活的波束控制、高信号增益、极强的抗干扰能力及高空间分辨能力等优点。
[0003]波束形成技术是声纳信号处理的核心技术，是获取目标方位信息和进行信号检测的主要手段。波束形成技术的核心思想是将一定几何形状(如直线阵或圆阵)排列的多元基阵各阵元输出经过处理，如对多个阵元接收信号进行加权、时延或相位补偿、求和处理等，使其对预定来波方向的入射信号形成同相相加。因此，一个波束形成器可以看成是一个空间滤波器，它可以滤去空间某些方位的信号，只让指定方位的信号通过。
[0004]目前各类声纳主要采用常规波束形成技术(conventional beamforming，简称CBF)，即通过对传感器阵列在时域上的延时累加或者在频域上的移相相加获得空间增益从而获得目标方位信息。然而常规波束形成技术形成的波束分辨率、检测能力受到阵列尺寸和工作频率所决定的瑞利极限限制而无法提升，主要体现在以下三个方面的问题：
[0005](1)波束宽
[0006]根据CBF原理，在基阵孔径和工作频率一定的情况下，波束宽度是无法进一步改进的。在目标数量较少时该问题不突出，然而在多目标时问题显得突出。波束宽度较宽将极大程度影响多目标下的噪声听测，容易导致混合目标听测，较大程度影响听测效果，难以做出准确识别。
[0007](2)旁瓣高
[0008]CBF的旁瓣高度约为主瓣的10％，根据CBF原理，旁瓣是无法避免的。旁瓣的存在容易导致假目标的产生，难以区分是旁瓣还是弱目标，因此对于强目标干扰下的弱目标检测尤其不利。
[0009](3)相干噪声抑制能力弱
[0010]CBF的基本原理是在假定各路水听器获取的目标信号是相关的，而他们的背景噪声是不相关的，该假定与大多数的实际情况是基本吻合的，因此CBF总体效果不错。然而，海上实际情况表明，在某些情况下，各路水听器的背景噪声具有一定的相关性，此时CBF不再是最佳的检测手段。
[0011]提高波束形成干扰抑制能力的一种有效措施是采用自适应波束形成方法，其中最为典型的是Capton提出的最小方差无畸变响应(Minimum Variance Distortionless Response Beamforming,MVDR)波束形成技术(Capon J.High-resolution frequency-wavenumber spectrum analysis.Proceedings of the IEEE 1969；57(8):1408-18.)。它在保持波束指向方向信号无失真的条件下，通过使基阵输出功率最小来实现对干扰的有效抑制，具有较好的方位分辨能力和较强的干扰抑制能力，尤其在低信噪比条件下，具有良好
的强相关噪声抑制能力。
[0012]宽带信号的MVDR频域实现方法(简称频域MVDR)为首先将数据进行分块(每块数据记为一次快拍)，然后将每次快拍内的数据通过傅里叶变换分解为多个窄带，在每个窄带上利用多次快拍估计阵列协方差矩阵，利用该协方差矩阵估计优化权向量得到窄带上的优化输出，最后综合各个窄带的输出结果。对于固定短阵列而言，频域MVDR在实际应用中效果并不理想，主要表现在
①
由于频域MVDR方法为获得满秩和稳定的协方差矩阵估计，需要对接收数据进行多次分块处理，因而要求信号平稳时间较长。对于方位快变目标而言，在该时间段内，方位变化可能达到几个波束宽度，而自适应波束形成方法的权向量不能足够快地适应非平稳信号时，其波束形成性能将急剧降低(Vorobyov SA,Gershman AB,Luo ZQ,Ma N.Adaptive beamforming with joint robustness against mismatched signal steering vector and interference nonstationarity.IEEE Signal Processing Letters 2004；11(2Part 1):108-11.)。而当快拍数较少时，协方差矩阵估计不稳定，难以获得稳定的优化权向量(Reed IS,Mallet J,Brennan L.Rapid convergence rate in adaptive antennas.IEEE Trans.Aerosp.Electron.Syst 1974；10.)。
②
在存在干扰源扰动时，MVDR不能很好的将零点对准干扰方向，将导致弱信号检测能力下降(Song H,Kuperman WA,Hodgkiss WS,Gerstoft P,Kim JS.Null broadening with snapshot-deficient covariance matrices in passive sonar.IEEE Journal of Oceanic Engineering 2003；28(2):250-61.)。
[0013]总结近年来有关MVDR方法的研究成果，基本都是围绕在减小频域MVDR方法对快拍数的需求上，即如何在短数据条件下获得稳定的优化权向量估计。虽然以上方法都在一定程度上作出了改善，但由于频域MVDR方法本身难以获得足够多的快拍次数，因此在改善的同时也付出了代价。然而，由于MVDR方法具有良好的干扰和噪声抑制能力，在低信噪比条件下也能获得良好的方位估计性能，这对于被动声纳探测而言，无疑具有重要的军事意义，因此，如何有效改善目前的频域MVDR方法在短数据条件下的方位估计性能，具有重要的现实意义。

技术实现思路

[0014]针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种形成波束宽度窄、对相干噪声的抑制能力强、信号检测和方位分辨性能高的快速频域宽带MVDR声纳波束形成方法，以提升声纳对水下目标的探测能力。
[0015]本专利技术的技术方案是：
[0016]步骤一：通过采集设备获取声纳M路N点阵元域数据，其中，N≥32M且为2的整次幂；
[0017]步骤二：将M路信号x
m
(n)，m＝1，2，...M，n＝1，2，...N做N点的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，简称FFT，)将x
m
(n)转换到频域，取对应滤波截止频率范围[N
L
,N
H
]内的数据：X(f
n
)＝fft[x(n)]；
[0018]设与[f
L
,f
H
]对应的f
n
分别为[N
L
,N
H
]，则有：N
L
＝f
L
/f
s
×
N，N本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快速频域宽带MVDR声纳波束形成方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：通过采集设备获取声纳M路N点阵元域数据；步骤二：将M路信号x
m
(n)，m＝1，2，...M，n＝1,2，...N做N点的快速傅里叶变换，将x
m
(n)转换到频域，取对应滤波截止频率范围[N
L
,N
H
]内的数据：X(f
n
)＝fft[x(n)]；设与[f
L
,f
H
]对应的f
n
分别为[N
L
,N
H
]，则有：N
L
＝f
L
/f
s
×
N，N
H
＝f
H
/f
s
×
N；步骤三：将步骤二所得X'(f
n
)对应的频点乘以对应相位差exp(j
·
2π
·
f
n
·
τ
m
(θ
i
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李智忠，李海涛，许忠良，何宪文，周蕾蕾，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军潜艇学院，
类型：发明
国别省市：