CN101149435B - 一种u型阵波束形成加权方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及声纳信号处理领域，主要是一种U型阵波束形成加权方法，根据“U”型阵阵元在与波束预成方向垂直的波阵面方向的投影坐标位置关系确定插值点，通过对窗函数在插值点的插值，计算出与“U”型阵阵元位置相匹配的修正窗函数权值。本发明提供了一种新型的，计算方法简单，计算量小，易于实现的“U”型阵波束形成加权方法，把基于均匀阵的窗函数加权推广到非均匀阵加权，有效地抑制了旁瓣，提高了“U”型阵波束形成的性能。

Description

一种U型阵波束形成加权方法

技术领域

本发明涉及声纳信号处理领域，具体涉及阵列信号处理领域，主要是一种U型阵波束形成加权方法。

背景技术

波束形成是声纳信号处理的一个热点研究问题。无论是被动声纳还是主动声纳都要有波束形成系统。波束形成系统是现代声纳系统的核心部件，是声纳具有良好的战术、技术性能的基础。常规波束形成方法(Coventional beamforming，简称CBF)是阵列信号处理中的经典方法，它的优点是结构简单，易于实现，而且对各种恶劣的环境有较好的适应能力。虽然现在各种高分辨算法不断涌现，但是常规波束形成方法(CBF)仍然是目前工程上运用最广泛的方法。

对各个阵元的输出信号在幅度上乘以一个实数，用这种方法来改善基阵的指向性或抑制某种特定的干扰，这就是基阵的加权。工程中运用最普遍的窗函数加权方法，是基于均匀阵提出的。对于像“U”型阵这样的非均匀阵，窗函数的权值与阵元位置不匹配，因而权值不是最佳的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适合“U”型水听器基阵波束形成的新型加权方法，使窗函数的权值与阵元位置匹配，使“U”型阵获得比常规窗函数加权更低的旁瓣结构，提高波束形成的性能。

为解决以上技术问题，本发明是提出以下技术方案实现的：

其包括以下步骤：

步骤一：采用M元“U”型阵接收信号，通过前置预处理机对基阵接收信号进行时间滤波、A/D变换、放大等前置预处理。令阵元编号分别为1，2，…，M，则阵元输出信号为：

x(n)＝[x₁(n)，x₂(n)，…，x_M(n)]^T    (1)

步骤二：信号处理机对时间信号进行快速傅立叶变换(FFT)，将信号从时域变换到频域，频域输出为：

X(f)＝[x₁(f)，x₂(f)，…，x_M(f)]^T(2)

其中x_m(f)为第m个阵元在频率f的值，m＝1，2，…，M。设接收信号为带限信号，则f_l≤f≤f_h，f_l，f_h分别为信号频率的下限和上限；

步骤三：考虑到“U”型阵波束形成时存在的遮挡问题，如果要形成θ方位的波束，需要通过计算斜率为tgθ的直线ll与“U”型阵的切点位置P，如图2所示。根据P点位置，确定第1，2，…，N号阵元参加波束形成，由(2)式选出这N个阵元的频域输出为

则波束形成的驾驶向量为：

W(f，θ)＝[w₁(f，θ)，w₂(f，θ)，…，w_N(f，θ)]    (4)

其中w_n(f，θ)＝exp(j2πfτ_n(θ))，τ_n(θ)为第n号阵元到参考点(一般设为坐标原点0点)的时延补偿，n＝1，2，…，N；

步骤四：把“U”型阵中参加波束形成的N个阵元投影到与θ垂直的波阵面(直线qq)方向，得到投影点A₁，A₂，…，A_N。先假定在投影点左右两端最边缘的两点(设为点A₁和点A_N)之间形成了一个均匀阵，对该均匀阵进行常规窗函数加权，再对形成的“窗口”进行插值。插值点由各投影点在投影连线(线A₁A_N)的位置确定，投影点A_n(其中，n＝1，2，...，N)对应的插值点计算公式如下：

${\hat{A}}_n=\stackrel{\‾}{A_1{A}_n}*(N-1)/\stackrel{\‾}{A_1{A}_N},---\left(5\right)$

其中

表示线段A₁A_n的长度，

表示线段A₁A_N的长度。根据插值点对常规窗函数在[0，N-1]范围内进行插值，插值后的值即为窗函数的修正权值。设所得到的修正窗函数权值为：

B＝[b₁，b₂，…，b_N]    (6)

其中b_n为对应第n号阵元的修正窗函数权值，n＝1，2，…，N；

步骤五：结合步骤三和步骤四的结果，进行频域波束形成得到θ方位的频域波束输出为：

本发明能带来以下有益效果：

本发明根据“U”型阵阵元在与波束预成方向垂直的波阵面方向的投影坐标位置关系确定插值点，通过对窗函数在插值点的插值，计算出与“U”型阵阵元位置相匹配的修正窗函数权值。本发明提供了一种新型的，计算方法简单，计算量小，易于实现的“U”型阵波束形成加权方法，把基于均匀阵的窗函数加权推广到非均匀阵加权，有效地抑制了旁瓣，提高了“U”型阵波束形成的性能。

附图说明：

图1：本发明的波束形成流程框图；

图2：“U”型水听器基阵θ方位加权波束形成示意图；

图3：等弧长“U”型水听器基阵结构图；

图4：阵元随机布放“U”型水听器基阵结构图；

图5：等弧长U阵修正的海明加权窗函数与海明窗比较图；

图6：阵元随机布放U阵修正的海明加权窗函数与海明窗比较图；

图7：等弧长“U”型阵加权波束图；

图8：阵元随机布放“U”型阵加权波束图。

具体实施方式：

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的描述：

本发明的波束形成流程框图如图1所示，这种U型阵波束形成加权方法，具体包括以下步骤：

步骤一：采用M元“U”型阵接收信号，通过前置预处理机对基阵接收信号进行时间滤波、A/D变换、放大等前置预处理。令阵元编号分别为1，2，…，M，则阵元输出信号为：

x(n)＝[x₁(n)，x₂(n)，…，x_M(n)]^T    (1)

步骤二：信号处理机对时间信号进行快速傅立叶变换(FFT)，将信号从时域变换到频域，频域输出为：

X(f)＝[x₁(f)，x₂(f)，…，x_M(f)]^T    (2)

其中x_m(f)为第m个阵元在频率f的值，m＝1，2，…，M。设接收信号为带限信号，则f_l≤f≤f_h，f_l，f_h分别为信号频率的下限和上限；

步骤三：考虑到“U”型阵波束形成时存在的遮挡问题，如果要形成θ方位的波束，需要通过计算斜率为tgθ的直线ll与“U”型阵的切点位置P，本发明形成θ方位加权波束示意图如图2所示。根据P点位置，确定第1，2，…，N号阵元参加波束形成，由(2)式选出这N个阵元的频域输出为：

则波束形成的驾驶向量为：

W(f，θ)＝[w₁(f，θ)，w₂(f，θ)，…，w_N(f，θ)]    (4)

其中w_n(f，θ)＝exp(j2πfτ_n(θ))，τ_n(θ)为第n号阵元到参考点(坐标原点0点)的时延补偿，n＝1，2，…，N；

步骤四：把“U”型阵中参加波束形成的N个阵元投影到与θ垂直的波阵面(直线qq)方向，得到投影点A₁，A₂，…，A_N。先假定在投影点左右两端最边缘的两点(设为点A₁和点A_N)之间形成了一个均匀阵，对该均匀阵进行常规窗函数加权，再对形成的“窗口”进行插值。插值点由各投影点在投影连线(线A₁A_N)的位置确定，投影点A_n(其中，n＝1，2，...，N)对应的插值点计算公式如下：

${\hat{A}}_n=\stackrel{\‾}{A_1{A}_n}*(N-1)/\stackrel{\‾}{A_1{A}_N},---\left(5\right)$

其中

表示线段A₁A_n的长度，表示线段A₁A_N的长度。根据插值点对常规窗函数在[0，N-1]范围内进行插值，插值后的值即为窗函数的修正权值。设所得到的修正窗函数权值为：

B＝[b₁，b₂，…，b_N]    (6)

其中，b_n为对应第n号阵元的修正窗函数权值，n＝1，2，…，N；

步骤五：结合步骤三和步骤四的结果，进行频域波束形成得到θ方位的频域波束输出为：

具体实例分别采用192元等弧长间距和阵元随机布放的“U”型水听器基阵，结构分别如图3和图4所示。信号采用200kHz单频信号，波束形成的幅度加权方式以窗函数中的海明窗(hamming)加权为例。

假定要形成90度方向的波束，在这个方向上直线ll与“U”型阵的切点在第1号和第192号阵元，因此192个阵元都要参与波束形成。把“U”型阵上各个阵元投影到90度垂直方向(x轴上)，得到点A₁，A₂，…，A₁₉₂。假设点A₁和点A₁₉₂为左右两段最边缘的两个点，根据点A₁，A₂，…，A₁₉₂在线段A₁A₁₉₂的位置关系利用(4)式生成插值点，再对192元的海明窗进行插值，即得到海明窗的修正权值。

等弧长间距和阵元随机布放的修正海明加权窗函数与海明窗比较分别如图5和图6所示。由各个修正的海明加权权值也可以形成一个窗口，窗口的横坐标由各个投影点的相对位置决定，纵坐标为各个阵元的权系数。此时，窗口中的各个权值是非均匀排列的。注意到，修正后的海明加权窗函数与海明窗，窗口是完全重合的，这表明了修正的海明加权和海明加权在权系数的选取上是完全等效的，因而修正的海明加权能够自适应于“U”型阵的结构。

图7和图8分别比较了窗函数加权和本发明提出的修正窗函数加权对于等弧长间距和阵元随机布放“U”型阵的波束图。可见对于“U”型阵波束形成，不论阵元如何布放，本发明方法均能够提供更优的权值。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种U型阵波束形成加权方法，其特征在于：该方法包含以下步骤：

步骤一：采用M元“U”型阵接收信号，对基阵接收信号进行前置预处理，令阵元编号分别为1，2，L，M，则阵元输出信号为：

x(n)＝[x₁(n)，x₂(n)，L，x_M(n)]^T                 (1)；

步骤二：信号处理机对阵元输出信号进行快速傅立叶变换FFT，将信号从时域变换到频域，频域输出为：

X(f)＝[x₁(f)，x₂(f)，L，x_m(f)]^T                 (2)

其中x_m(f)为第m个阵元在频率f的值，m＝1，2，L，M，设接收信号为带限信号，则f_l≤f≤f_h，f_l，f_h分别为信号频率的下限和上限；

步骤三：通过计算斜率为tgθ的直线ll与“U”型阵的切点位置P，形成θ方位的波束，根据P点位置，确定第1，2，L，N号阵元参加波束形成，由(2)式选出这N个阵元的频域输出为：

则波束形成的驾驶向量为：

W(f，θ)＝[w₁(f，θ)，w₂(f，θ)，L，w_N(f，θ)]                  (4)

其中w_n(f，θ)＝exp(j2πfτ_n(θ))，以坐标原点O点为参考点，τ_n(θ)为第n号阵元到参考点的时延补偿，n＝1，2，L，N；

步骤四：把“U”型阵中参加波束形成的N个阵元投影到与θ垂直的波阵面，即直线qq方向，得到投影点A₁，A₂，L，A_N；假定在投影点左右两端最边缘的两点，即点A₁和点A_N之间形成了一个均匀阵，对该均匀阵进行常规窗函数加权，再对形成的“窗口”进行插值；插值点由各投影点在投影连线，即线A₁A_N的位置确定，投影点对应的插值点计算公式如下：

${\hat{A}}_n=\stackrel{\‾}{A_1{A}_n}*(N-1)/\stackrel{\‾}{A_1{A}_N},---\left(5\right)$

其中

表示线段A₁A_n的长度，

表示线段A₁A_N的长度；根据插值点对常规窗函数在[0，N-1]范围内进行插值，插值后的值即为窗函数的修正权值；设所得到的修正窗函数权值为：

B＝[b₁，b₂，L，b_N]    (6)

其中，b_n为对应第n号阵元的修正窗函数权值，n＝1，2，L，N；

步骤五：结合步骤三和步骤四的结果，进行频域波束形成得到θ方位的频域波束输出为：

2.根据权利要求1所述的U型阵波束形成加权方法，其特征在于：通过前置预处理机对基阵接收信号进行时间滤波、A/D变换、放大前置预处理。

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