一種逆波束形成方法及系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種逆波束形成方法，包括：對(duì)所接收的信號(hào)做離散傅里葉變換，得到信號(hào)的頻域值；根據(jù)頻域值為接收拖線陣計(jì)算互譜矩陣；對(duì)互譜矩陣的主對(duì)角元素進(jìn)行修正；對(duì)經(jīng)過(guò)修正的互譜矩陣做Toeplitz平均，將其轉(zhuǎn)化為具有空間分布的一維分布數(shù)據(jù)：對(duì)一維分布數(shù)據(jù)在θ角度上進(jìn)行相位補(bǔ)償，然后求和，得到在θ角度上的功率譜；對(duì)功率譜在0～179°內(nèi)做空間掃描，得到當(dāng)前的信號(hào)頻率f處的空間譜P'DL_IBF(f)；令PDL_IBF＝PDL_IBF+P'DL_IBF(f)，f＝f+1，當(dāng)f≤fmax時(shí)，重復(fù)之前步驟，否則，結(jié)束操作，從而完成寬帶逆波束形成。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種逆波束形成方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及聲納信號(hào)處理領(lǐng)域，特別涉及一種逆波束形成方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著聲吶技術(shù)的不斷提高，目標(biāo)輻射信號(hào)的能量越來(lái)越低，接收拖線陣中各陣元所接收信號(hào)的信噪比(SNR)越來(lái)越低，致使直接由逆波束形成(INVERSEBEAMFORMIN，IBF)所得到的空間譜數(shù)據(jù)在方位歷程圖中的顯示效果較差，甚至不能很好地顯示出目標(biāo)方位。
[0003]逆波束形成需要用到方向向量數(shù)據(jù)和陣元間的互譜矩陣數(shù)據(jù)。由于互譜矩陣中的主對(duì)角元素與其他位置元素相比，噪聲能量大、信號(hào)能量基本一樣，因此在低信噪比下由波束形成所得到的空間譜主旁瓣能量差別比較小，空間譜在方位歷程圖中顯示效果不好。針對(duì)現(xiàn)有逆波束形成算法的這一缺陷，在參考文獻(xiàn)I “李啟虎，潘學(xué)寶，尹力.數(shù)字式聲吶中一種新的背景均衡算法[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，2000, 25(1): 5-9”和參考文獻(xiàn)2 "Eweda Eweda.Global Stabilization of the Least Mean Fourth Algorithm[J].TRANSACTIONS ONSIGNAL PROCESSING，2012，60 (3): 1473-1477”中，本領(lǐng)域技術(shù)人員采用了對(duì)波束形成所得到的空間譜進(jìn)行背景均衡或灰度變換等后置處理方法，從而改善空間譜的顯示效果，以便在低信噪比下工作人員能夠方便地從方位歷程圖中直觀地得到目標(biāo)方位。此類(lèi)后置處理方法具有較好的效果，但也存在著算法復(fù)雜，運(yùn)算量大等缺陷，不利于實(shí)時(shí)處理的實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的逆波束形成方法所具有的算法復(fù)雜、運(yùn)算量大的缺陷，從而提供一種簡(jiǎn)單有效的逆波束形成方法和系統(tǒng)。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種逆波束形成方法，包括:
[0006]步驟I)、接收拖線陣中的各個(gè)陣元接收信號(hào)，對(duì)所接收的信號(hào)做離散傅里葉變換，得到信號(hào)的頻域值，并為空間譜Pdubf設(shè)定初始值，將頻率設(shè)定為f = fmin，fmin為頻率下限；
[0007]步驟2)、根據(jù)步驟I)所得到的各個(gè)陣元所接收信號(hào)的頻域值為所述接收拖線陣計(jì)算互譜矩陣；
[0008]步驟3)、對(duì)步驟2)所得到的互譜矩陣的主對(duì)角元素進(jìn)行修正；
[0009]步驟4)、對(duì)步驟3)得到的主對(duì)角元素經(jīng)過(guò)修正的互譜矩陣做Toeplitz平均，將其轉(zhuǎn)化為具有空間分布的一維分布數(shù)據(jù):
[0010]步驟5)、對(duì)步驟4)所得到的一維分布數(shù)據(jù)在Θ角度上進(jìn)行相位補(bǔ)償，然后求和，得到在Θ角度上的功率譜；所述Θ角度為目標(biāo)輻射信號(hào)與陣元所在水平線之間的夾角；
`[0011]步驟6)、對(duì)步驟5)所得到的功率譜在0-179°內(nèi)做空間掃描，得到當(dāng)前的信號(hào)頻率f處的空間譜F ?(f);其中，陣元I至陣元N方向?yàn)?°，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)?Tl79° ；
fmax 時(shí)，重復(fù)步驟 2)~步驟
6)，否則，結(jié)束操作，從而完成寬帶逆波束形成；其中，fmax為頻率上限。
[0013]上述技術(shù)方案中，在所述步驟I)中，還包括:在接收拖線陣中的陣元接收信號(hào)后，對(duì)所接收信號(hào)中的寬帶信號(hào)做FFT變換，從而得到窄帶信號(hào)的操作。
[0014]上述技術(shù)方案中，在所述的步驟3)中，對(duì)互譜矩陣的主對(duì)角元素進(jìn)行修正包括將主對(duì)角元素的值置零。
[0015]上述技術(shù)方案中，在所述的步驟3)中，對(duì)互譜矩陣的主對(duì)角元素進(jìn)行修正包括將主對(duì)角元素的值置為絕對(duì)值小于5的常數(shù)。
[0016]本發(fā)明還提供了一種逆波束形成系統(tǒng)，包括預(yù)處理模塊、互譜矩陣計(jì)算模塊、修正模塊、Toeplitz平均模塊、功率譜計(jì)算模塊、空間譜計(jì)算模塊、循環(huán)執(zhí)行模塊；其中，
[0017]所述的預(yù)處理模塊對(duì)接收拖線陣中的各個(gè)陣元所接收的信號(hào)做離散傅里葉變換，得到信號(hào)的頻域值，并為空間譜Pdubf設(shè)定初始值，將頻率設(shè)定為f = fmin，fmin為頻率下限；
[0018]所述的互譜矩陣計(jì)算模塊根據(jù)所述預(yù)處理模塊所得到的各個(gè)陣元所接收信號(hào)的頻域值為所述接收拖線陣計(jì)算互譜矩陣；
[0019]所述的修正模塊對(duì)所述互譜矩陣計(jì)算模塊所得到的互譜矩陣的主對(duì)角元素進(jìn)行修正；
[0020]所述的Toeplitz平均模塊對(duì)所述修正模塊得到的主對(duì)角元素經(jīng)過(guò)修正的互譜矩陣做Toeplitz平均，將其轉(zhuǎn)化為具有空間分布的一維分布數(shù)據(jù):
[0021]所述的功率譜計(jì)算模塊對(duì)所述Toeplitz平均模塊所得到的一維分布數(shù)據(jù)在Θ角度上進(jìn)行相位補(bǔ)償，然后求和，得到在Θ角度上的功率譜；所述Θ角度為目標(biāo)輻射信號(hào)與陣元所在水平線之間的 夾角；
[0022]所述的空間譜計(jì)算模塊對(duì)所述功率譜計(jì)算模塊所得到的功率譜在0-179。內(nèi)做空間掃描，得到當(dāng)前的信號(hào)頻率f處的空間譜P’DUBF(f);其中，陣元I至陣元N方向?yàn)?°，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)?-179。；
[0023]所述循環(huán)執(zhí)行模塊令PDl—IBF = PDL JBF+P' DLJBF (:0，:？=:?+1，當(dāng):？≤fmax時(shí)，重新啟動(dòng)互譜矩陣計(jì)算模塊，否則結(jié)束操作，從而完成寬帶逆波束形成；其中，ffflax為頻率上限。
[0024]上述技術(shù)方案中，還包括FFT變換模塊，所述FFT變換模塊將接收拖線陣中的各個(gè)陣元所接收的信號(hào)中的寬帶信號(hào)做FFT變換，得到窄帶信號(hào)，并將所得到的窄帶信號(hào)傳輸?shù)剿鲱A(yù)處理模塊。
[0025]上述技術(shù)方案中，所述修正模塊對(duì)互譜矩陣的主對(duì)角元素進(jìn)行修正包括將主對(duì)角
元素的值置零。
[0026]上述技術(shù)方案中，所述修正模塊對(duì)互譜矩陣的主對(duì)角元素進(jìn)行修正包括將主對(duì)角元素的值置為絕對(duì)值小于5的常數(shù)。
[0027]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0028]1、本發(fā)明的方法能夠減弱主對(duì)角元素所含噪聲對(duì)波束形成結(jié)果的影響，尤其是對(duì)低信噪比下主對(duì)角元素上噪聲能量遠(yuǎn)超信號(hào)能量的情況。
[0029]2、經(jīng)驗(yàn)證:采用本發(fā)明方法修正主對(duì)角元素后的逆波束形成((DIAGONAL IBF:DLIBF)所得空間譜比現(xiàn)有的IBF方法經(jīng)背景均衡后所得空間譜的旁瓣更加平穩(wěn)、顯示效果更好。
[0030]3、本發(fā)明方法簡(jiǎn)單有效，可滿足實(shí)際工程應(yīng)用需要。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】[0031]圖1是本發(fā)明中所涉及的接收拖線陣的示意圖；
[0032]圖2是本發(fā)明的逆波束形成方法的示意圖；
[0033]圖3 (a)為P2 = Ov,在SNR = _25dB條件下，由本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)方法所得空間譜圖瞬時(shí)圖；
[0034]圖3 (b)為P2 = Ov,在SNR = _25dB條件下，由現(xiàn)有技術(shù)方法所得到的空間譜方位歷程圖；
[0035]圖3 (C)為P2 = Ov,在SNR = _25dB條件下，由本發(fā)明方法所得到的空間譜方位歷程圖；
[0036]圖4 (a)為P2 = 0.5v，在SNR = _23dB條件下，由本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)方法所得空間譜圖瞬時(shí)圖；
[0037]圖4 (b)為P2 = 0.5v,在SNR = _23dB條件下，由現(xiàn)有技術(shù)方法所得到的空間譜方位歷程圖；
[0038]圖4 (c)為P2 = 0.5v,在SNR = _23dB條件下，由本發(fā)明方法所得到的空間譜方位歷程圖；
[0039]圖5 (a)為P 2 = 1.0v，在SNR = _23dB條件下，由本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)方法所得空間譜圖瞬時(shí)圖；
[0040]圖5 (b)為P2 = 1.0v,在SNR = _23dB條件下，由現(xiàn)有技術(shù)方法所得到的空間譜方位歷程圖；
[0041]圖5(c)為P2 = 1.0v，在SNR = _23dB條件下，由本發(fā)明方法所得到的空間譜方位歷程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042]現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0043]在對(duì)本發(fā)明的方法做詳細(xì)說(shuō)明前，首先對(duì)本發(fā)明方法所適用的接收拖線陣加以描述。圖1為一接收拖線陣的示意圖，該接收拖線陣是陣元數(shù)為N的等間距水平線陣，目標(biāo)從Θ方向輻射信號(hào)，經(jīng)水聲信道傳播后到達(dá)陣元。以該接收拖線陣為例，下面對(duì)本發(fā)明的方法做詳細(xì)說(shuō)明。
[0044]參考圖2，本發(fā)明的方法包括以下步驟:
[0045]步驟I)、接收拖線陣中的各個(gè)陣元接收信號(hào)，對(duì)所接收的信號(hào)做離散傅里葉變換，并為空間譜設(shè)定初始值，將頻率設(shè)定為f = fmin，fmin為頻率下限。
[0046]各個(gè)陣元所接收的信號(hào)可按式(I)所述:
[0047]Xi (t) = P1.s (t-Ati)+Iii (t)(I)
[0048]其中:S(t)為目標(biāo)在t時(shí)刻輻射信號(hào),Pi為第i陣元接收信號(hào)的幅度，i為第i個(gè)陣元，Ati= (1-l)d cos Θ c為第i陣元與第I陣元間的時(shí)延差，d = fyC為陣間距，f。為所接收信號(hào)的中心頻率，C為平均聲速，n, (t)為第i個(gè)陣元在t時(shí)刻接收的背景噪聲。
[0049]對(duì)接收信號(hào)離散傅里葉變換可得到信號(hào)的頻域值Xi (f)，該信號(hào)的頻率范圍為fmin ^ fmax，在本步驟中，信號(hào)的頻率大小為fmin，其中:fmin為頻率下限，fmax為頻率上限。同時(shí)令輸出的空間譜Pm !BF = O。
[0050]在本實(shí)施例中，各個(gè)陣元所接收的信號(hào)為窄帶信號(hào)。在其他實(shí)施例中，各個(gè)陣元所接收的信號(hào)也可以是寬帶信號(hào)，則在步驟I)中，當(dāng)陣元接收到信號(hào)后，還包括對(duì)寬帶信號(hào)做FFT變換，從而得到窄帶信號(hào)的操作。
[0051]步驟2)、為接收拖線陣計(jì)算互譜矩陣。
[0052]所要計(jì)算的陣元間互譜矩陣用R表示，其表達(dá)式如下:
[0053]
【權(quán)利要求】
1.一種逆波束形成方法，包括: 步驟I)、接收拖線陣中的各個(gè)陣元接收信號(hào)，對(duì)所接收的信號(hào)做離散傅里葉變換，得到信號(hào)的頻域值，并為空間譜Pm IBF設(shè)定初始值，將頻率設(shè)定為f = fmin，fmin為頻率下限；步驟2)、根據(jù)步驟I)所得到的各個(gè)陣元所接收信號(hào)的頻域值為所述接收拖線陣計(jì)算互譜矩陣； 步驟3)、對(duì)步驟2)所得到的互譜矩陣的主對(duì)角元素進(jìn)行修正； 步驟4)、對(duì)步驟3)得到的主對(duì)角元素經(jīng)過(guò)修正的互譜矩陣做Toeplitz平均，將其轉(zhuǎn)化為具有空間分布的一維分布數(shù)據(jù): 步驟5)、對(duì)步驟4)所得到的一維分布數(shù)據(jù)在Θ角度上進(jìn)行相位補(bǔ)償，然后求和，得到在Θ角度上的功率譜；所述Θ角度為目標(biāo)輻射信號(hào)與陣元所在水平線之間的夾角； 步驟6)、對(duì)步 驟5)所得到的功率譜在0-179°內(nèi)做空間掃描，得到當(dāng)前的信號(hào)頻率f處的空間譜P’DUBF(f);其中，陣元I至陣元N方向?yàn)?°，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)?Tl79° ；步驟 7)、令 Pdijbf = Pdljbf+P' dljbf (f)，f = f+1，當(dāng) f≤ fmax 時(shí)，重復(fù)步驟 2)~步驟 6)，否則，結(jié)束操作，從而完成寬帶逆波束形成；其中，ffflax為頻率上限。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆波束形成方法，其特征在于，在所述步驟I)中，還包括:在接收拖線陣中的陣元接收信號(hào)后，對(duì)所接收信號(hào)中的寬帶信號(hào)做FFT變換，從而得到窄帶信號(hào)的操作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的逆波束形成方法，其特征在于，在所述的步驟3)中，對(duì)互譜矩陣的主對(duì)角元素進(jìn)行修正包括將主對(duì)角元素的值置零。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的逆波束形成方法，其特征在于，在所述的步驟3)中，對(duì)互譜矩陣的主對(duì)角元素進(jìn)行修正包括將主對(duì)角元素的值置為絕對(duì)值小于5的常數(shù)。
5.一種逆波束形成系統(tǒng)，其特征在于，包括預(yù)處理模塊、互譜矩陣計(jì)算模塊、修正模塊、Toeplitz平均模塊、功率譜計(jì)算模塊、空間譜計(jì)算模塊、循環(huán)執(zhí)行模塊；其中， 所述的預(yù)處理模塊對(duì)接收拖線陣中的各個(gè)陣元所接收的信號(hào)做離散傅里葉變換，得到信號(hào)的頻域值，并為空間譜Pm IBF設(shè)定初始值，將頻率設(shè)定為f = fmin，fmin為頻率下限；所述的互譜矩陣計(jì)算模塊根據(jù)所述預(yù)處理模塊所得到的各個(gè)陣元所接收信號(hào)的頻域值為所述接收拖線陣計(jì)算互譜矩陣； 所述的修正模塊對(duì)所述互譜矩陣計(jì)算模塊所得到的互譜矩陣的主對(duì)角元素進(jìn)行修正； 所述的Toeplitz平均模塊對(duì)所述修正模塊得到的主對(duì)角元素經(jīng)過(guò)修正的互譜矩陣做Toeplitz平均，將其轉(zhuǎn)化為具有空間分布的一維分布數(shù)據(jù): 所述的功率譜計(jì)算模塊對(duì)所述Toeplitz平均模塊所得到的一維分布數(shù)據(jù)在Θ角度上進(jìn)行相位補(bǔ)償，然后求和，得到在Θ角度上的功率譜；所述Θ角度為目標(biāo)輻射信號(hào)與陣元所在水平線之間的夾角； 所述的空間譜計(jì)算模塊對(duì)所述功率譜計(jì)算模塊所得到的功率譜在0-179。內(nèi)做空間掃描，得到當(dāng)前的信號(hào)頻率f處的空間譜P’DUBF(f);其中，陣元I至陣元N方向?yàn)?°，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)?Tl79° ； 所述循環(huán)執(zhí)行模塊令PDl—IBF = Pdljbf+P' dljbf (f)，f = f+1，當(dāng)f≤fmax時(shí)，重新啟動(dòng)互譜矩陣計(jì)算模塊，否則結(jié)束操作，從而完成寬帶逆波束形成；其中，ffflax為頻率上限。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的逆波束形成系統(tǒng)，其特征在于，還包括FFT變換模塊，所述FFT變換模塊將接收拖線陣中的各個(gè)陣元所接收的信號(hào)中的寬帶信號(hào)做FFT變換，得到窄帶信號(hào)，并將所得到的窄帶信號(hào)傳輸?shù)剿鲱A(yù)處理模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的逆波束形成系統(tǒng)，其特征在于，所述修正模塊對(duì)互譜矩陣的主對(duì)角元素進(jìn)行修正包括將主對(duì)角元素的值置零。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的逆波束形成系統(tǒng)，其特征在于，所述修正模塊對(duì)互譜矩陣的主對(duì)角元素進(jìn)行修正包括將主對(duì) 角元素的值置為絕對(duì)值小于5的常數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01S7/52GK103837871SQ201210484959
【公開(kāi)日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月23日
【發(fā)明者】鄭恩明, 陳新華, 孫長(zhǎng)瑜, 余華兵 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所