一種逆波束形成方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種逆波束形成方法，包括：對所接收的信號做離散傅里葉變換，得到信號的頻域值；根據(jù)頻域值為接收拖線陣計算互譜矩陣；對互譜矩陣的主對角元素進行修正；對經(jīng)過修正的互譜矩陣做Toeplitz平均，將其轉化為具有空間分布的一維分布數(shù)據(jù)：對一維分布數(shù)據(jù)在θ角度上進行相位補償，然后求和，得到在θ角度上的功率譜；對功率譜在0～179°內(nèi)做空間掃描，得到當前的信號頻率f處的空間譜P'DL_IBF(f)；令PDL_IBF＝PDL_IBF+P'DL_IBF(f)，f＝f+1，當f≤fmax時，重復之前步驟，否則，結束操作，從而完成寬帶逆波束形成。
【專利說明】一種逆波束形成方法及系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及聲納信號處理領域，特別涉及一種逆波束形成方法及系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]隨著聲吶技術的不斷提高，目標輻射信號的能量越來越低，接收拖線陣中各陣元所接收信號的信噪比(SNR)越來越低，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角元素與其他位置元素相比，噪聲能量大、信號能量基本一樣，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。針對現(xiàn)有逆波束形成算法的這一缺陷，在參考文獻I “李啟虎，潘學寶，尹力.數(shù)字式聲吶中一種新的背景均衡算法[J].聲學學報，2000, 25(1): 5-9”和參考文獻2 "Eweda Eweda.Global Stabilization of the Least Mean Fourth Algorithm[J].TRANSACTIONS ONSIGNAL PROCESSING，2012，60 (3): 1473-1477”中，本領域技術人員采用了對波束形成所得到的空間譜進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方位。此類后置處理方法具有較好的效果，但也存在著算法復雜，運算量大等缺陷，不利于實時處理的實現(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雜、運算量大的缺陷，從而提供一種簡單有效的逆波束形成方法和系統(tǒng)。
[0005]為了實現(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陣元接收信號，對所接收的信號做離散傅里葉變換，得到信號的頻域值，并為空間譜Pdubf設定初始值，將頻率設定為f = fmin，fmin為頻率下限；
[0007]步驟2)、根據(jù)步驟I)所得到的各個陣元所接收信號的頻域值為所述接收拖線陣計算互譜矩陣；
[0008]步驟3)、對步驟2)所得到的互譜矩陣的主對角元素進行修正；
[0009]步驟4)、對步驟3)得到的主對角元素經(jīng)過修正的互譜矩陣做Toeplitz平均，將其轉化為具有空間分布的一維分布數(shù)據(jù):
[0010]步驟5)、對步驟4)所得到的一維分布數(shù)據(jù)在Θ角度上進行相位補償，然后求和，得到在Θ角度上的功率譜；所述Θ角度為目標輻射信號與陣元所在水平線之間的夾角；
`[0011]步驟6)、對步驟5)所得到的功率譜在0-179°內(nèi)做空間掃描，得到當前的信號頻率f處的空間譜F ?(f);其中，陣元I至陣元N方向為0°，逆時針旋轉方向為(Tl79° ；
fmax 時，重復步驟 2)~步驟
6)，否則，結束操作，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后，對所接收信號中的寬帶信號做FFT變換，從而得到窄帶信號的操作。
[0014]上述技術方案中，在所述的步驟3)中，對互譜矩陣的主對角元素進行修正包括將主對角元素的值置零。
[0015]上述技術方案中，在所述的步驟3)中，對互譜矩陣的主對角元素進行修正包括將主對角元素的值置為絕對值小于5的常數(shù)。
[0016]本發(fā)明還提供了一種逆波束形成系統(tǒng)，包括預處理模塊、互譜矩陣計算模塊、修正模塊、Toeplitz平均模塊、功率譜計算模塊、空間譜計算模塊、循環(huán)執(zhí)行模塊；其中，
[0017]所述的預處理模塊對接收拖線陣中的各個陣元所接收的信號做離散傅里葉變換，得到信號的頻域值，并為空間譜Pdubf設定初始值，將頻率設定為f = fmin，fmin為頻率下限；
[0018]所述的互譜矩陣計算模塊根據(jù)所述預處理模塊所得到的各個陣元所接收信號的頻域值為所述接收拖線陣計算互譜矩陣；
[0019]所述的修正模塊對所述互譜矩陣計算模塊所得到的互譜矩陣的主對角元素進行修正；
[0020]所述的Toeplitz平均模塊對所述修正模塊得到的主對角元素經(jīng)過修正的互譜矩陣做Toeplitz平均，將其轉化為具有空間分布的一維分布數(shù)據(jù):
[0021]所述的功率譜計算模塊對所述Toeplitz平均模塊所得到的一維分布數(shù)據(jù)在Θ角度上進行相位補償，然后求和，得到在Θ角度上的功率譜；所述Θ角度為目標輻射信號與陣元所在水平線之間的 夾角；
[0022]所述的空間譜計算模塊對所述功率譜計算模塊所得到的功率譜在0-179。內(nèi)做空間掃描，得到當前的信號頻率f處的空間譜P’DUBF(f);其中，陣元I至陣元N方向為0°，逆時針旋轉方向為0-179。；
[0023]所述循環(huán)執(zhí)行模塊令PDl—IBF = PDL JBF+P' DLJBF (:0，:？=:?+1，當:？≤fmax時，重新啟動互譜矩陣計算模塊，否則結束操作，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陣元所接收的信號中的寬帶信號做FFT變換，得到窄帶信號，并將所得到的窄帶信號傳輸?shù)剿鲱A處理模塊。
[0025]上述技術方案中，所述修正模塊對互譜矩陣的主對角元素進行修正包括將主對角
元素的值置零。
[0026]上述技術方案中，所述修正模塊對互譜矩陣的主對角元素進行修正包括將主對角元素的值置為絕對值小于5的常數(shù)。
[0027]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0028]1、本發(fā)明的方法能夠減弱主對角元素所含噪聲對波束形成結果的影響，尤其是對低信噪比下主對角元素上噪聲能量遠超信號能量的情況。
[0029]2、經(jīng)驗證:采用本發(fā)明方法修正主對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)明方法簡單有效，可滿足實際工程應用需要。
【專利附圖】

【附圖說明】[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)有技術方法所得空間譜圖瞬時圖；
[0034]圖3 (b)為P2 = Ov,在SNR = _25dB條件下，由現(xiàn)有技術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)有技術方法所得空間譜圖瞬時圖；
[0037]圖4 (b)為P2 = 0.5v,在SNR = _23dB條件下，由現(xiàn)有技術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)有技術方法所得空間譜圖瞬時圖；
[0040]圖5 (b)為P2 = 1.0v,在SNR = _23dB條件下，由現(xiàn)有技術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。
【具體實施方式】
[0042]現(xiàn)結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。
[0043]在對本發(fā)明的方法做詳細說明前，首先對本發(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，目標從Θ方向輻射信號，經(jīng)水聲信道傳播后到達陣元。以該接收拖線陣為例，下面對本發(fā)明的方法做詳細說明。
[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陣元接收信號，對所接收的信號做離散傅里葉變換，并為空間譜設定初始值，將頻率設定為f = fmin，fmin為頻率下限。
[0046]各個陣元所接收的信號可按式(I)所述:
[0047]Xi (t) = P1.s (t-Ati)+Iii (t)(I)
[0048]其中:S(t)為目標在t時刻輻射信號,Pi為第i陣元接收信號的幅度，i為第i個陣元，Ati= (1-l)d cos Θ c為第i陣元與第I陣元間的時延差，d = fyC為陣間距，f。為所接收信號的中心頻率，C為平均聲速，n, (t)為第i個陣元在t時刻接收的背景噪聲。
[0049]對接收信號離散傅里葉變換可得到信號的頻域值Xi (f)，該信號的頻率范圍為fmin ^ fmax，在本步驟中，信號的頻率大小為fmin，其中:fmin為頻率下限，fmax為頻率上限。同時令輸出的空間譜Pm !BF = O。
[0050]在本實施例中，各個陣元所接收的信號為窄帶信號。在其他實施例中，各個陣元所接收的信號也可以是寬帶信號，則在步驟I)中，當陣元接收到信號后，還包括對寬帶信號做FFT變換，從而得到窄帶信號的操作。
[0051]步驟2)、為接收拖線陣計算互譜矩陣。
[0052]所要計算的陣元間互譜矩陣用R表示，其表達式如下:
[0053]
【權利要求】
1.一種逆波束形成方法，包括: 步驟I)、接收拖線陣中的各個陣元接收信號，對所接收的信號做離散傅里葉變換，得到信號的頻域值，并為空間譜Pm IBF設定初始值，將頻率設定為f = fmin，fmin為頻率下限；步驟2)、根據(jù)步驟I)所得到的各個陣元所接收信號的頻域值為所述接收拖線陣計算互譜矩陣； 步驟3)、對步驟2)所得到的互譜矩陣的主對角元素進行修正； 步驟4)、對步驟3)得到的主對角元素經(jīng)過修正的互譜矩陣做Toeplitz平均，將其轉化為具有空間分布的一維分布數(shù)據(jù): 步驟5)、對步驟4)所得到的一維分布數(shù)據(jù)在Θ角度上進行相位補償，然后求和，得到在Θ角度上的功率譜；所述Θ角度為目標輻射信號與陣元所在水平線之間的夾角； 步驟6)、對步 驟5)所得到的功率譜在0-179°內(nèi)做空間掃描，得到當前的信號頻率f處的空間譜P’DUBF(f);其中，陣元I至陣元N方向為0°，逆時針旋轉方向為(Tl79° ；步驟 7)、令 Pdijbf = Pdljbf+P' dljbf (f)，f = f+1，當 f≤ fmax 時，重復步驟 2)~步驟 6)，否則，結束操作，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后，對所接收信號中的寬帶信號做FFT變換，從而得到窄帶信號的操作。
3.根據(jù)權利要求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，對互譜矩陣的主對角元素進行修正包括將主對角元素的值置零。
4.根據(jù)權利要求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，對互譜矩陣的主對角元素進行修正包括將主對角元素的值置為絕對值小于5的常數(shù)。
5.一種逆波束形成系統(tǒng)，其特征在于，包括預處理模塊、互譜矩陣計算模塊、修正模塊、Toeplitz平均模塊、功率譜計算模塊、空間譜計算模塊、循環(huán)執(zhí)行模塊；其中， 所述的預處理模塊對接收拖線陣中的各個陣元所接收的信號做離散傅里葉變換，得到信號的頻域值，并為空間譜Pm IBF設定初始值，將頻率設定為f = fmin，fmin為頻率下限；所述的互譜矩陣計算模塊根據(jù)所述預處理模塊所得到的各個陣元所接收信號的頻域值為所述接收拖線陣計算互譜矩陣； 所述的修正模塊對所述互譜矩陣計算模塊所得到的互譜矩陣的主對角元素進行修正； 所述的Toeplitz平均模塊對所述修正模塊得到的主對角元素經(jīng)過修正的互譜矩陣做Toeplitz平均，將其轉化為具有空間分布的一維分布數(shù)據(jù): 所述的功率譜計算模塊對所述Toeplitz平均模塊所得到的一維分布數(shù)據(jù)在Θ角度上進行相位補償，然后求和，得到在Θ角度上的功率譜；所述Θ角度為目標輻射信號與陣元所在水平線之間的夾角； 所述的空間譜計算模塊對所述功率譜計算模塊所得到的功率譜在0-179。內(nèi)做空間掃描，得到當前的信號頻率f處的空間譜P’DUBF(f);其中，陣元I至陣元N方向為0°，逆時針旋轉方向為(Tl79° ； 所述循環(huán)執(zhí)行模塊令PDl—IBF = Pdljbf+P' dljbf (f)，f = f+1，當f≤fmax時，重新啟動互譜矩陣計算模塊，否則結束操作，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陣元所接收的信號中的寬帶信號做FFT變換，得到窄帶信號，并將所得到的窄帶信號傳輸?shù)剿鲱A處理模塊。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的逆波束形成系統(tǒng)，其特征在于，所述修正模塊對互譜矩陣的主對角元素進行修正包括將主對角元素的值置零。
8.根據(jù)權利要求5或6所述的逆波束形成系統(tǒng)，其特征在于，所述修正模塊對互譜矩陣的主對角元素進行修正包括將主對 角元素的值置為絕對值小于5的常數(shù)。
【文檔編號】G01S7/52GK103837871SQ201210484959
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月23日 優(yōu)先權日:2012年11月23日
【發(fā)明者】鄭恩明, 陳新華, 孫長瑜, 余華兵 申請人:中國科學院聲學研究所