專利名稱：：基于相位差波束形成的目標(biāo)方位估計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種基于相位差波束形成的目標(biāo)方位估計方法，是一種陣列信號處理中的空間譜估計技術(shù)，尤其適合用于雷達(dá)和聲納的目標(biāo)方位估計，是一種波束形成方法。
背景技術(shù)：
：目前，應(yīng)用于雷達(dá)和聲納領(lǐng)域的方位估計算法主要有常規(guī)波束形成(CBF)，最大似然估計(MLE)算法和子空間類算法。CBF算法可以在指定方向預(yù)先形成單個或多個波束，但其波束主瓣寬度較寬，無法分辨角度間隔小于瑞利限的入射源。MLE算法的估計性能接近克拉美羅界(CRB)，但需要進(jìn)行多維搜索，在這三種算法中其運(yùn)算量最大，難于進(jìn)行實時處理。子空間類算法的代表是MUSIC和ESPRIT算法，它們屬于高分辨算法，突破了瑞利限的限制，但算法復(fù)雜，且無法預(yù)先在指定方向形成波束。
發(fā)明內(nèi)容要解決的技術(shù)問題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種基于相位差波束形成的目標(biāo)方位估計方法，能夠預(yù)先在指定方向形成單個或多個波束，且波束寬度突破瑞利限，本方法提出了相位差波束形成方法。它是一種具有高分辨率的波束形成算法，其計算量與CBF算法相當(dāng)，易于工程實現(xiàn)。技術(shù)方案本發(fā)明的技術(shù)特征在于步驟如下步驟l:對各陣元接收的信號作DFT運(yùn)算，獲得窄帶入射源中心頻率處各陣元接收信號的頻譜；步驟2:根據(jù)延遲加權(quán)P-WOV，在指定波束形成方向^/上對獲得的頻譜進(jìn)行相位匹配；其中0為Hadmard乘積，W為指定波束形成方向的加權(quán)向量，V為角度掃描3向量；所述的W與V兩者互為共軛，W=V=[fe-，2…e-"M"]7'，其中0>0為窄帶入射源中心頻率，^為陣列中第Z個陣元指向&的時延，^為陣列中第/個陣元指向e的時延；所述的r^sin併c，其中c為介質(zhì)中聲波或電磁波的傳播速度，^為預(yù)先指定的波束方向，6為搜索角度；步驟3:根據(jù)^。^(0=~~^~~J,,~~^計算相位匹配后各陣元頻譜的相max(朋g(P))—mm(朋g(P))位，得到空間譜估計圖，其中awg("為取相位運(yùn)算；步驟4:在不同的搜索角度^下重復(fù)步驟2和3，獲得不同的搜索角度5下的空間譜估計圖；以空間譜估計圖中的7V個譜峰峰值對應(yīng)的角度確定為目標(biāo)入射方位，所述的7V為目標(biāo)個數(shù)。有益效果本發(fā)明提出的基于相位差波束形成的目標(biāo)方位估計方法，可預(yù)先在指定方向形成波束，其波束主瓣寬度遠(yuǎn)小于CBF方法，可在現(xiàn)有的相控陣?yán)走_(dá)和聲納基礎(chǔ)上修改實現(xiàn)。根據(jù)8元均勻線列陣形成的兩個波束的陣列方向圖看出CBF方法無法在角度間隔小于瑞利限的情況下形成指定的陣列方向圖，而相位差波束形成方法則突破了瑞利限。CBF算法由于各波束旁瓣間的干擾抑制，無法形成期望的陣列方向圖，而相位差波束形成方法則可正確生成所需陣列方向圖。CBF,MUSIC和相位差波束形成方法三種算法中，CBF和MUSIC算法無法正確分辨雙源，而相位差波束形成方法仍可在真實角度附近給出峰值，從而成功分辨入射雙源，給出目標(biāo)方位。圖l:相位差波束形成算法單波束掃描示意圖圖2:相位差波束形成的預(yù)先波束形成示意圖圖3:相位差波束形成方法的發(fā)射波束生成示意4:^=A/2的8陣元ULA指向時的波束圖圖5:d=4/2的16陣元ULA指向[-80。:20。:80。]時的波束圖圖6:消聲室單源定位實驗示意圖圖7:半消聲室實驗中雙源入射時空間譜估計圖具體實施例方式現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述本方法通過對各陣元在指定波束形成方向進(jìn)行時延補(bǔ)償后，獲得各陣元頻譜的相位，以這些相位的最大最小值之差的倒數(shù)作為估計算子。對于任意陣列，CBF算法的陣列方向圖為^^(0=W"V其中W為設(shè)定的加權(quán)向量，它包含了加權(quán)系數(shù)和指定的波束形成方向&，V為角度掃描向量。對于陣元間距為rf的Af陣元的均勻線列陣(ULA)，其中0>『2^為窄帶入射源中心頻率，T^fein伊c，c為介質(zhì)中聲波或電磁波的傳播速度，0為搜索角度。因此當(dāng)各陣元加權(quán)系數(shù)均為1/M時，指向&的ULA加權(quán)向量為『=丄「1^(M-i旨d~f;其中r^dsin^/c。相應(yīng)的ULA陣列方向圖為sm(-^-、_^乂".,W(sin^—sin^)、Msin(——^-義其中A-c/力為信號波長。此時CBF的半功率點主瓣寬度約為廣0.446;i人乂、Md相位差波束形成方法首先在入射源中心頻率上對接收信號的頻譜進(jìn)行相位匹配，即延遲加權(quán)P=W〇V其中O為Hadmard乘積，即點乘。V為角度掃描向量。由于幅度加權(quán)對相位差波束形成方法沒有影響，因此W的結(jié)構(gòu)可以與V相似，但兩者互為共軛，且W中時延項由&決定，即對于任意陣型有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中&，^，/=1,…，M，分別為陣列中第/個陣元指向&和^的時延，^為預(yù)先指定的波束方向，0為掃描向量V中的搜索角度。相位差波束形成方法(PDBF)的算子定義為相位匹配后各陣元頻譜的最大最小相位差的倒數(shù)，即尸膨()max(awg(P))-min(a"g(P))其中ang("為取相位運(yùn)算。上述公式給出了任意陣列下相位差波束形成方法的陣列方向圖表達(dá)式。對于陣元間距為J的M陣元的ULA，相位差波束形成方法(PDBF)指向&的陣列方向圖為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>注意到上式的獲得與加權(quán)系數(shù)沒有關(guān)系，即相位差波束形成方法主要利用時延后各陣元的相位來形成波束。與CBF算法一樣，相位差波束形成方法同樣適合于任意陣型。由于角度搜索向量中搜索角度^=&時，相位差波束形成方法中相位匹配后各陣元相位均為零，此時任意陣列下相位差波束形成方法的陣列方向圖表達(dá)式的取值趨于無窮大，因此相位差波束形成方法的波束主瓣寬度定義為給定相位擾動下的半功率點主瓣寬度。設(shè)各陣元相位擾動的取值范圍為[-s，e]，e>0，對于陣元間距為"的M陣元ULA，相位差波束形成方法的最大半功率點主瓣寬度為實際應(yīng)用中由于背景噪聲和系統(tǒng)干擾的存在，各陣元接收信號在時延加權(quán)后相位不會同時相等，因此任意陣列下相位差波束形成方法的陣列方向圖表達(dá)式不會出現(xiàn)無窮大的情況。由上述公式可見，相位差波束形成方法的波束主瓣寬度與相位擾動，窄帶入射源中心頻率和陣列參數(shù)有關(guān)。對于ULA，當(dāng)^=義/2時，S『cs^l.78/M，S^M產(chǎn)4e/[(M-l);r]。實際中由于(4e/兀)《1.78，因此相位差波束形成方法的波束主瓣寬度遠(yuǎn)小于CBF。圖1所示為相位差波束形成算法的單波束掃描示意圖，也可將相控陣劃分為若個子陣，每個子陣指向預(yù)先分配的方向，對各子陣接收數(shù)據(jù)應(yīng)用本方法可以得到各方向的空間譜估計結(jié)果，從而可直接繪出空間譜圖。本實施例采用8元均勻線列陣，陣元間距d=0.1m，線陣平行于地面，高1.3m。揚(yáng)聲器移動軌道平行于線陣，兩者在地面的對應(yīng)平行線距離為3.2m。揚(yáng)聲器距地面1.04m，通過移動其位置獲得(A士50和土1()G的入射源。窄帶入射源為單頻信號，實驗中取lkHz，1.7kHz，3.4kHz，6.8kHz。顯而易見，本次實驗用線陣所能分析的窄帶信號中心頻率上限為1.7kHz。采用揚(yáng)聲器發(fā)出單頻信號作為窄帶入射源，采用如圖6所示的8元ULA獲得陣列接收信號，窄帶入射源的真實入射方位角通過測量已知。實驗中采樣頻率30kHz，對不同入射源均采集30秒，將接收信號劃分為20段，分別采用每段數(shù)據(jù)進(jìn)行方位估計，本實施例的具體步驟如下-步驟1:將采集到的30秒8元均勻線列陣接收數(shù)據(jù)分為20段；步驟2:對每段8元陣接收數(shù)據(jù)作DFT運(yùn)算，獲得窄帶入射源中心頻率處各陣元接收信號的頻譜向量X;步驟3:對頻譜向量X進(jìn)行相位匹配得到P-XOV，其中O為Hadmard乘積，V為角度掃描向量；所述的-肅-，其中cy(T2;^為窄帶入射源中心頻率，本例中/0可取值為lkHz，1.7kHz，3.4kHz,6.8kHz。T,為陣列中第木陣元指向6的時延；所述的r^sin併c，其中陣元間距^0.1m，聲波傳播速度c=340m/s,e為搜索角度，其取值范圍為[-90G,9()G]，角度搜索步長A^0.02G;1步驟4:根據(jù)^^的-'-計算相位匹配后各陣元頻譜的相max(a"g(P))—min(a"g(P))位，得到空間譜估計圖，其中朋g("為取相位運(yùn)算；步驟5:在不同的搜索角度6下重復(fù)步驟3和4，獲得不同的搜索角度e下的空間譜估計圖；以空間譜估計圖中的A^個譜峰峰值對應(yīng)的角度確定為目標(biāo)入射方位，所述的W為目標(biāo)個數(shù)，本例中iV為2;步驟6:對20段接收數(shù)據(jù)分別采用步驟2至步驟4的相位差波束形成算法進(jìn)行方位估計，以估計結(jié)果的平均偏差和平均波束主瓣寬度檢驗算法的統(tǒng)計性能。上述實施例的結(jié)果如表1和表2所示。表1.-l()Q入射不同中心頻率采樣數(shù)據(jù)DOA估計的平均偏差(單位度)算法\^仿真結(jié)果近場修正11.73.46.811.73.46.8CBF0.050.040.0101.70.300.500.06MUSIC0.050.040.0101.80.300.500.06PDBF0.050.040.0202.40,770.600.06表2.-10<)入射不同中心頻率采樣數(shù)據(jù)DOA估計的平均波束主瓣寬度(單位度)算法\^仿真結(jié)果近場修正11.73.46.811.73.46.8CBF24.0914.087.033.5122.2213.186.443.04MUSIC0.610.420,200.098.053.282.121.16PDBF0.690.420.270.143.591,34U60.418表1和表2分別給出了CBF，MUSIC和相位差波束形成方法的平均估計偏差及平均波束主瓣寬度，其中"仿真結(jié)果"指0dB時根據(jù)實驗環(huán)境計算機(jī)仿真給出的統(tǒng)計結(jié)果，"近場修正"則為采用實驗采集數(shù)據(jù)，并考慮到半消聲室中近場效應(yīng)而進(jìn)行修正后的統(tǒng)計結(jié)果。橫向數(shù)據(jù)比較中，隨著入射信號中心頻率的提高，仿真及實驗的估計偏差和主瓣寬度均在減小。注意到，實驗數(shù)據(jù)的估計偏差均遠(yuǎn)大于仿真中的估計偏差，這與半消聲室的反射和實驗器材的影響有關(guān)。波束主瓣寬度方面，CBF算法的實驗結(jié)果與仿真結(jié)果較為接近，MUSIC和相位差波束形成方法的實驗結(jié)果則遠(yuǎn)大于仿真結(jié)果，這是由于數(shù)據(jù)模型與實際采集數(shù)據(jù)存在誤差造成的。縱向數(shù)據(jù)分析表明，平均估計偏差方面CBF和MUSIC算法趨于一致，相位差波束形成方法的估計偏差略大于前兩者。平均波束主瓣寬度方面，大致滿足關(guān)系式BWPDBF<BWMUSIC<<BWCBF，即相位差波束形成方法的波束主瓣寬度與高分辨算法MUSIC的結(jié)果相近。圖4給出了8元均勻線列陣，陣元間距^=義/2時，在指定方向()G和5G同時形成兩個波束的陣列方向圖。其中CBF算法中沒有相位擾動，相位差波束形成方法則為角度擾動為10G時的結(jié)果。由圖4可以看出，CBF算法無法在角度間隔小于瑞利限的情況下形成指定的陣列方向圖，而相位差波束形成方法則突破了瑞利限。圖5給出了16元均勻線列陣，陣元間距rf=A/2時，在-8(f到8(^之間每間隔20°形成一個波束時的陣列方向圖。其中CBF算法中沒有相位擾動，相位差波束形成方法則為角度擾動為1()G時的結(jié)果。顯而易見，即使角度間隔大于瑞利限，CBF算法由于各波束旁瓣間的干擾抑制，無法形成期望的陣列方向圖，而相位差波束形成方法則可正確生成所需陣列方向圖。圖7給出了半消聲室實驗中雙源入射時空間譜估計圖，其中雙源入射的真實角度為-l()G和0入射雙源中心頻率分別為1.7kHz禾B1.6kHz。CBF，MUSIC和相位差波束形成方法三種算法中，CBF和MUSIC算法無法正確分辨雙源，而相位差波束形成方法仍可在真實角度附近給出峰值，從而成功分辨入射雙源，給出目標(biāo)方位。權(quán)利要求1.一種基于相位差波束形成的目標(biāo)方位估計方法，其特征在于步驟如下步驟1對各陣元接收的信號作DFT運(yùn)算，獲得窄帶入射源中心頻率處各陣元接收信號的頻譜；步驟2根據(jù)延遲加權(quán)P＝W⊙V，在指定波束形成方向θd上對獲得的頻譜進(jìn)行相位匹配；其中⊙為Hadmard乘積，W為指定波束形成方向的加權(quán)向量，V為角度掃描向量；所述的W與V兩者互為共軛，<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mi>W</mi><mo>=</mo><msup><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>d</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></msup></mtd><mtd><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>d</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow></msup></mtd><mtd><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>·</mo></mtd><mtd><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><mrow><mo>(</mo><mi>M</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>τ</mi><mi>dM</mi></msub></mrow></msup></mtd></mtr></mtable></mfenced><mi>T</mi></msup><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0001"file="A2009100216700002C1.tif"wi="68"he="7"top="82"left="117"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths><mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><msup><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msup><mi>e</mi><mrow><mo>-</mo><mi>j</mi><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msup></mtd><mtd><msup><mi>e</mi><mrow><mo>-</mo><mi>j</mi><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msup></mtd><mtd><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>·</mo></mtd><mtd><msup><mi>e</mi><mrow><mo>-</mo><mi>j</mi><mrow><mo>(</mo><mi>M</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>τ</mi><mi>M</mi></msub></mrow></msup></mtd></mtr></mtable></mfenced><mi>T</mi></msup><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0002"file="A2009100216700002C2.tif"wi="67"he="7"top="93"left="21"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>其中ω0為窄帶入射源中心頻率，τdi為陣列中第i個陣元指向θd的時延，τi為陣列中第i個陣元指向θ的時延；所述的τ＝dsinθ/c，其中c為介質(zhì)中聲波或電磁波的傳播速度，θd為預(yù)先指定的波束方向，θ為搜索角度；步驟3根據(jù)<mathsid="math0003"num="0003"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>B</mi><mi>PDBF</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>θ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>max</mi><mrow><mo>(</mo><mi>ang</mi><mrow><mo>(</mo><mi>P</mi><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mi>min</mi><mrow><mo>(</mo><mi>ang</mi><mrow><mo>(</mo><mi>P</mi><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>]]></math>id="icf0003"file="A2009100216700002C3.tif"wi="67"he="10"top="128"left="57"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>計算相位匹配后各陣元頻譜的相位，得到空間譜估計圖，其中ang(*)為取相位運(yùn)算；步驟4在不同的搜索角度θ下重復(fù)步驟2和3，獲得不同的搜索角度θ下的空間譜估計圖；以空間譜估計圖中的N個譜峰峰值對應(yīng)的角度確定為目標(biāo)入射方位，所述的N為目標(biāo)個數(shù)。全文摘要本發(fā)明涉及一種基于相位差波束形成的目標(biāo)方位估計方法，技術(shù)特征在于步驟如下對各陣元接收的信號作DFT運(yùn)算，獲得窄帶入射源中心頻率處各陣元接收信號的頻譜；根據(jù)延遲加權(quán)P＝W⊙V，在指定波束形成方向θ<sub>d</sub>上對獲得的頻譜進(jìn)行相位匹配；根據(jù)B<sub>PDBF</sub>(θ)＝1/(max(ang(P))-min(ang(P)))計算相位匹配后各陣元頻譜的相位，得到空間譜估計圖，其中ang(*)為取相位運(yùn)算；在不同的搜索角度θ下重復(fù)步驟2和3，獲得不同的搜索角度θ下的空間譜估計圖；以空間譜估計圖中的N個譜峰峰值對應(yīng)的角度確定為目標(biāo)入射方位，所述的N為目標(biāo)個數(shù)。本發(fā)明的相位差波束形成方法仍可在真實角度附近給出峰值，從而成功分辨入射雙源，給出目標(biāo)方位。文檔編號G01S7/52GK101566683SQ200910021670公開日2009年10月28日申請日期2009年3月24日優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日發(fā)明者宏侯,孫進(jìn)才,卉肖,陳志菲申請人:西北工業(yè)大學(xué)