一种自适应宽带加权波束形成方法技术

本发明专利技术公开了一种自适应宽带加权波束形成方法，包括以下步骤：基于获取的各子带阵数据，计算各子带的平均能量；设定可调控制参数，并基于各子带的平均能量，计算对应的各对角加载量幅度加权算子；对各子带阵数据进行幅度加权处理，得到各子带幅度加权后的阵数据；利用各幅度加权后的阵数据迭代计算对应的各协方差矩阵的逆；基于子带协方差矩阵的逆，利用最小方差无畸变波束形成器计算宽带空间谱。本发明专利技术在基阵的频域阵数据上进行基于对角加载量的幅度加权处理，并结合迭代求逆方法，可保证求逆稳定的同时提升宽带检测性能，而且计算效率得到很大提高。本发明专利技术可解决检测性能好的频率分量过加载从而影响宽带检测信息的问题。率分量过加载从而影响宽带检测信息的问题。率分量过加载从而影响宽带检测信息的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种自适应宽带加权波束形成方法


[0001]本专利技术属于声纳信号处理领域，涉及声纳阵列自适应宽带警戒研究，更具体来说涉及一种自适应宽带加权波束形成方法。

技术介绍

[0002]对于大孔径或者大规模声纳阵列的信号检测问题，制约自适应宽带处理方法(MVDR)应用的因素除计算需求外，还存在着阵列协方差矩阵估计问题。根据现有理论，只有当快拍数量大于等于阵元数量两倍时，实际MVDR的性能损失才能控制在3dB之内。而对于多阵元大规模声纳，由于目标运动、信号平稳性等因素，用于估计阵列协方差矩阵的快拍数量难以满足，导致MVDR信号检测能力下降。此时既要保证协方差矩阵快速收敛，也要信号处理机工程实现可靠稳健，这就需要对角加载。在工程应用中，为降低硬件需求、提高计算效率，一般使用迭代方法求取协方差矩阵的逆，但此时对所有频点协方差矩阵使用同一固定量进行对角加载，容易导致一些检测性能好的频率分量过加载，影响宽带检测性能，所以需要结合各快拍各频点数据进行自适应调整加载量的幅度，以提高自适应宽带警戒的检测性能。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的之一在于提供一种自适应宽带加权波束形成方法，以解决
技术介绍
中提出的常规MVDR方法容易导致检测性能好的频率分量过加载从而影响宽带检测信息的问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供技术方案如下：
[0005]一种自适应宽带加权波束形成方法，包括以下步骤：基于获取的各子带阵数据，计算各子带的平均能量；设定可调控制参数，并基于各子带的平均能量，计算对应的各对角加载量幅度加权算子；对各子带阵数据进行幅度加权处理，得到各子带幅度加权后的阵数据；利用各幅度加权后的阵数据迭代计算对应的各协方差矩阵的逆；基于子带协方差矩阵的逆，利用最小方差无畸变波束形成器计算宽带空间谱。
[0006]优选地，所述各子带阵数据的获取方法包括以下步骤：对阵元域的时域数据进行快速傅里叶变换；将变换结果在频域分为若干满足预设窄带假设的窄子带；取处理频段内各子带的阵元域频域数据。
[0007]优选地，所述子带的平均能量Xeg(f)计算公式为：
[0008][0009]其中，N为阵元个数，X(n，f)为第n个阵元在频率f处的阵元域频域数据，n为阵元编号。
[0010]优选地，所述对角加载量幅度加权算子α()的计算公式为：
[0011]α(f)＝1.0/(Xeg(f)*λ)
[0012]其中，λ为可调控制参数，Xeg(f)为在频率f处的平均能量。
[0013]优选地，所述幅度加权处理的计算公式为：
[0014]Y(：，f)＝α(f)*X(：，f)
[0015]其中，Y(：，f)为在频率f处幅度加权后的阵元域频域数据，X(：，f)为在频率f处的阵元域频域数据。
[0016]优选地，所述迭代计算公式为：
[0017][0018]其中，和分别为当前迭代的逆和前一次迭代的逆，j为迭代次数，H为共轭转置，Y(：，f)为在频率f处幅度加权后的阵元域频域数据。
[0019]优选地，所述利用最小方差无畸变波束形成器计算宽带空间谱包括以下步骤：根据基阵阵元坐标、空间扫描方位和处理频带，计算各子带的阵列导引向量；利用各子带的阵列导引向量和协方差矩阵的逆，计算对应子带的自适应宽带加权空间谱；对所有子带的自适应宽带加权空间谱进行加权求和处理，得到宽带空间谱。
[0020]优选地，所述阵列导引向量a_scan(：，f)的计算公式为：
[0021]a_scan(：，f)＝exp(j2πf(xcosθ+ysinθ)/c)
[0022]其中，f为处理频率，(x，y)为基阵阵元的坐标向量，θ为扫描方位向量，c为声速，j为虚数。
[0023]优选地，所述子带的自适应宽带加权空间谱Pmvdr(f，θ)的计算公式为：
[0024][0025]其中，a_scan(：，f)为频率f的阵列导引向量，H为共轭转置，为协方差矩阵的逆。
[0026]优选地，所述所有子带的自适应宽带加权空间谱的加权求和公式为：
[0027]Mvdr(θ)＝∑
f
Pmvdr(f，θ)。
[0028]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0029]本专利技术在基阵的频域阵数据上进行基于对角加载量的幅度加权处理，并结合迭代求逆方法，可保证求逆稳定的同时提升宽带检测性能，而且计算效率得到很大提高。本专利技术可解决检测性能好的频率分量过加载从而影响宽带检测信息的问题。
附图说明
[0030]图1本专利技术的自适应宽带加权波束形成方法的流程图。
[0031]图2为某舷侧阵海试数据处理结果。
[0032]图3为120s和300s两个时刻的快拍处理结果。
具体实施方式
[0033]下面将结合附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所
描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。
[0034]一种自适应宽带加权波束形成方法，具体包括以下5个步骤：
[0035]步骤1：基于获取的各子带阵元域频域数据X(：，f)，计算各子带的平均能量Xeg(f)，
[0036][0037]其中，N为阵元个数，X(n，f)为第n个阵元在频率f处的阵元域频域数据，n为阵元编号。
[0038]步骤1中子带阵数据的获取方法包括以下3个子步骤：
[0039]步骤1
‑
1：对阵元域的时域数据进行快速傅里叶变换；
[0040]步骤1
‑
2：将变换结果在频域分为若干满足预设窄带假设的窄子带；
[0041]步骤1
‑
3：取处理频段内各子带的阵元域频域数据。
[0042]本专利技术步骤1
‑
1中，快速傅里叶变换是利用计算机计算离散傅里叶变换的高效、快速计算方法的统称；离散傅里叶变换(DFT)，是傅里叶变换在时域和频域上都呈现离散的形式，将时域信号的采样变换为在离散时间傅里叶变换(DTFT)频域的采样。在形式上，变换两端(时域和频域上)的序列是有限长的，而实际上这两组序列都应当被认为是离散周期信号的主值序列。即使对有限长的离散信号作DFT，也应当将其看作经过周期延拓成为周期信号再作变换。
[0043]本专利技术步骤1
‑
2中，窄子带的预设窄带宽度需要根据处理频带的带宽等因素来确定，本领域技术人员可根据实际情况自行设置。
[0044]步骤2：设定可调控制参数λ＝0.1，并基于各子带的平均能量Xeg(f)，计算对应的各对角加载量幅度加权算子α(f)，
[0045]α(f)＝1.0/(Xeg(f)*λ)
[0046]其中，Xeg(f)为在频率f处的平均能量。
[0047]本专利技术步骤2中，可调控制参数的具体数值可根据实际情本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自适应宽带加权波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：基于获取的各子带阵数据，计算各子带的平均能量；设定可调控制参数，并基于各子带的平均能量，计算对应的各对角加载量幅度加权算子；对各子带阵数据进行幅度加权处理，得到各子带幅度加权后的阵数据；利用各幅度加权后的阵数据迭代计算对应的各协方差矩阵的逆；基于子带协方差矩阵的逆，利用最小方差无畸变波束形成器计算宽带空间谱。2.如权利要求1所述的一种自适应宽带加权波束形成方法，其特征在于，所述各子带阵数据的获取方法包括以下步骤：对阵元域的时域数据进行快速傅里叶变换；将变换结果在频域分为若干满足预设窄带假设的窄子带；取处理频段内各子带的阵元域频域数据。3.如权利要求2所述的一种自适应宽带加权波束形成方法，其特征在于，所述子带的平均能量Xeg(f)计算公式为：其中，N为阵元个数，X(n，f)为第n个阵元在频率f处的阵元域频域数据，n为阵元编号。4.如权利要求3所述的一种自适应宽带加权波束形成方法，其特征在于，所述对角加载量幅度加权算子α()的计算公式为：α(f)＝1.0/(Xeg(f)*λ)其中，λ为可调控制参数，Xeg(f)为在频率f处的平均能量。5.如权利要求1所述的一种自适应宽带加权波束形成方法，其特征在于，所述幅度加权处理的计算公式为：Y(：，f)＝α(f)*X(：，f)其中，Y(：，f)为在频率f处幅度加权后的阵元域频域数据，X(：，f)为在频...

【专利技术属性】
技术研发人员：王庆，周彬，陈孝森，查继林，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：