CN103630887B - 一种多波束形成方法及使用该方法的多波束声纳 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多波束形成方法。本发明通过对接收阵元阵列所接收的回波信号进行处理在一定方向范围内生成一组波束特性相同的连续窄波束，所述接收阵元阵列包括在角度为的圆弧上等间距排列的<i>M</i>个相同的接收阵元，，<i>M</i>为大于1的整数；两个相邻接收阵元之间的圆心角为所述窄波束的波束间距的整数倍，每个窄波束通过对接收阵元阵列中<i>N</i>个连续排列的接收阵元所接收的回波信号进行加权移相相加得到，<i>N</i>为大于1且小于等于<i>M</i>的整数。本发明还公开了一种使用所述方法的多波束声纳。相比现有技术，本发明可有效降低系统对波束加权系数的存储量，大大节省系统的存储资源。

Description

一种多波束形成方法及使用该方法的多波束声纳
技术领域
本发明涉及一种多波束形成方法，尤其涉及一种基于等距均匀圆阵（UCA，后续简称为圆阵）的多波束形成方法，可用于多波束声纳、多波束无线通信天线等的多波束生成。
背景技术
因海战、海洋开发和堤坝安全探测的需求使得成像声纳技术越来越受到重视，尤其是在较为混浊的水域，此时水下视频摄像根本无法看清几米之外的目标，需要借助于高分辨率成像声纳系统来完成水下目标的探测。而高分辨率成像声纳具有阵元数多，工作频率高，需要产生的波束数多，因此数据量庞大，例如产生512个波束，就需要512组加权系数矢量，而每组加权系数矢量又含有相当多的系数，存储各通道信号数据和波束加权系数矢量需要耗费大量的存储空间，从而限制了其在工程上的实现。多波束无线通信天线同样存在上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种多波束形成方法，可有效降低系统对波束加权系数的存储量，大大节省系统的存储资源。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种多波束形成方法，通过对接收阵元阵列所接收的回波信号进行处理在一定方向范围内生成一组波束特性相同的连续窄波束，所述接收阵元阵列包括在角度为α的圆弧上等间距排列的M个相同的接收阵元，α∈(0,2π]，M为大于1的整数；两个相邻接收阵元之间的圆心角为所述窄波束的波束间距的整数倍，每个窄波束通过对接收阵元阵列中N个连续排列的接收阵元所接收的回波信号进行加权移相相加得到，N为大于1且小于等于M的整数。
优选地，所述每个窄波束通过对接收阵元阵列中N个连续排列的接收阵元所接收的回波信号进行加权移相相加得到，具体如下：
式中，y(t)表示t时刻的窄波束信号；xk(t)表示形成该窄波束所用到的第k个接收阵元，在t时刻接收到的回波信号；e为自然常数；Wk表示形成该窄波束所用到的第k个接收阵元的幅度加权系数；τk和分别表示形成该窄波束所用到的第k个接收阵元的补偿声程差、补偿相位移，根据下式得到：
其中，R为接收阵元阵列的半径，v为回波的传播速度，λ为回波的波长，Δθk表示该窄波束方向与接收阵元阵列圆心和第k个接收阵元之间连线的夹角。
进一步地，本发明优选采用余弦平方加权来抑制旁瓣，具体为：Wk按照下式得到：Wk=cos2Δθk
其中，Δθk表示该窄波束方向与接收阵元阵列圆心和第k个接收阵元之间连线的夹角。
优选地，所述接收阵元阵列为声纳阵列或无线通信天线阵列。
优选地，每个窄波束的方向靠近形成该窄波束的N个连续排列的接收阵元的中间位置。
本发明基于等距均匀圆阵，通过限定形成的多波束数量使得两个相邻接收阵元之间的圆心角为所述窄波束的波束间距的整数倍，可利用相同的加权系数矢量产生多个波束，从而可大大减少保存加权系数矢量所需的存储资源，具有良好的工程实用性。
附图说明
图1是基于半圆阵的旋转多波束形成示意图；
图2是538个波束形成的系统整体功能框图；
图3是1#波束方向图；
图4A和图4B分别是538个波束的主瓣宽度和旁瓣电平大小；
图5是圆形声基阵阵元及工作扇面分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明基于圆形接收阵元阵列（包括圆弧、半圆等），采用很少个数的加权系数矢量产生多个波束，其中波束加权系数矢量的个数取决于相邻阵元所对应的圆心角度数与波束间距的比值，可用于工程实现高分辨率2D成像声纳系统以及多波束天线等。
等距均匀圆阵作为一种具有360°全向搜索能力的阵形，其空间各向指向性能一致，而且具有方位角和俯仰角两维方位估计能力。相比常用的等距均匀线阵(ULA，以后统称线阵)，圆阵波束主瓣宽度在各个方向都一样，不随波束预成方向变化而变化，且每一个方位角对应唯一的响应向量，不存在方位模糊。另外圆阵的阵列孔径可以随着半径尺寸的提高而提升，在一定范围内不受限制，而这是线阵所难以做到的。
为了便于公众理解，下面以采用半圆阵的声纳系统的多波束形成为例来对本发明的技术方案进行详细描述。
本实施例中的半圆阵如图1所示，由M个相同的均匀分布的接收阵元（通常为换能器）1#、2#、...、k#、...、M#构成，各阵元间的相位差为Q=π/(M-1)。假定该半圆阵包括180个阵元，相邻两个阵元间的圆心角为180°/179=1.0056°。如要在45°-135°方向范围之间生成多波束以实现对该方向范围的扫描，则设定多波束中包含538个波束，那么单个波束的宽度为90°/537=0.1676°，可以发现相邻阵元的圆心角刚好为波束间距的6倍，满足要求。
产生水下目标反射的声音回波信号，到达声纳基阵的各阵元时，由于声程差，各阵元的输出信号之间存在相对的时延，将各阵元的信号做相应的时延补偿，在要求的波束方向上变为同相叠加，使输出信号最大。采用部分阵元移相相加形成多波束，为了在θi方向形成波束，须对各阵元的输出延时进行补偿，对于k#阵元来说，相对于圆心的时间延迟τk或相位移如式（1），其中R为圆阵的半径，v为水中声速，λ为波长。计算延时时，将回波信号近似为远场平面波，阵元到达远场任意一点的相位仅与方位角有关，与阵元到场点的距离无关。同时为了改善阵的指向性，降低波束的旁瓣级，通常要对阵元幅度进行加权，本发明优选采用余弦平方加权来抑制旁瓣。
如果第k个阵元信号xk(t)的角频率为ω0，则图1中θi方向波束形成器的信号输出如式（3）。其中Wk为不同阵元信号的幅度加权系数，本发明优选采用余弦平方加权来降低旁瓣电平，如式（2）；τk用于补偿声程差，用于补偿相位移。
Wk=cos2[θi-(k-1)π/(M-1)]（2）
为了得到高分辨率成像，本实施例中使用91个阵元来产生波束间距不大于1°的波束，即式（3）中N取91。每组阵元产生6个波束，即1-91#阵元产生1-6#波束，2-92#阵元产生7-12#波束，…，90-180#阵元产生535-540#波束（其中539#和540#波束在成像的90°范围之外，舍弃不用）。除此之外，将N取为91还有一些很重要的原因。首先，这样可以保证每个波束的指向都在对应产生阵元的中间，如1-91#阵元产生1-6#波束时，1-91#阵元的中心角度为180/179×45=45.25°，而1-6#波束的波束指向在45°-45.84°，角度正好差不多，这样可以降低如水中声速波动等不确定性因素对波束形成的影响。最重要的是，这样设计之后，只需要6组加权系数矢量就可以产生538个波束，这也是本发明的创新之处，下面将对其详细说明。
对于180阵元的均匀半圆阵，相邻阵元之间的圆心角为180°/179=1.0056°；另一方面，波束间距为90°/537=0.1676°。所以相邻阵元之间的圆心角是波束间距的6倍，即相邻两个阵元之间产生了6个波束。当用2-92#阵元产生7-12#波束时，因为2-92阵元等效弦与1-91阵元等效弦相比转过的角度为1.0056度，而7#波束与1#波束之间的间距也为1.0056度，因此产生7#波束时各阵元的延时及幅度加权系数与以1-91阵元产生1#波束时相同，因此可以用相同的加权系数矢量产生1#、7#、…、535#波束，只是每次采用的阵元不同，选取不同的阵元可以通过阵元等效弦的转动实现。以此类推，采用第二组加权系数矢量可以同时产生2#、8#、…、536#波束。因此，这样设计之后，只需要6组加权系数矢量，即可通过等效弦的转动来实现538个等间距波束的产生。产生538波束时，各波束选取的阵元号分别为1-91、2-92、3-93、…、90-180。产生538个波束的系统整体功能框图如图2所示。
一般的高分辨率成像声纳产品如Blueview的2D成像声纳通常都是产生512个波束。如果利用图1所示的基阵产生512个波束，此时相邻阵元对应的圆心角与波束间距不成倍数关系，就无法应用该方法，必须采用512组加权系数矢量才能产生512个波束。采用本发明，虽然多产生了28个波束，但是所需加权系数矢量的个数却降低了85倍，有效降低了存储加权系数矢量的硬件需求。本发明中降低波束加权系数矢量，必须保证相邻阵元之间的圆心角与波束间距成整数倍关系，这个倍数就是所需加权系数矢量的个数。
在没有噪声与干扰的理想情况下，利用MATLAB仿真得到1#波束指向性图3。波束指向为45度，主瓣宽度为0.987度，旁瓣电平为-15.16dB。
多波束的一致性对成像质量有显著的影响，若是波束之间的一致性比较差，那么产生的图像可能会出现“花脸”的现象。理想情况下538个波束的主瓣宽度和旁瓣电平值如图4A和图4B所示。可以看出，538个波束的主瓣宽度均为0.987；旁瓣电平在0.001dB小幅度范围内变化，可以忽略不计。因此，采用本发明方法产生多波束时各个波束间的一致性可以做到很好。
基于上述半圆阵进行扩展，采用图5所示的圆形阵列可以实现360°全向搜索。为了方便说明，保持与图1相同的阵元间距分布，则360°范围内共有358个阵元。系统通过控制模拟开关矩阵，每次输入180阵元信号进行波束形成运算，每个波束以91个阵元进行加权，最终以180阵元形成90°范围内的538波束作为一个扫描扇面。整个圆面分布358个基元，每次扫描时圆阵移动90°，一周共4次扫描，每次扫描的宽度为90°，4个波束扇面可以实现在360°范围均有波束形成，阵元及扇面分布如图5所示（由于538个阵元个数太多，难以全部表示出，因此图5中的阵元分布只是示意图）。如图所示，利用1-180#阵元可实现S1扇面的搜索，91-270#阵元可实现S2扇面的搜索，181-360#阵元可实现S3扇面的搜索，271-358-1-91#阵元可实现S4扇面的搜索。即使是在实现360°全向搜索，产生2152个波束的情况下也只需要6组加权系数矢量。
本发明的多波束形成方法在保证波束一致性的前提下，能够使用很少的波束加权系数矢量产生多个波束，波束加权系数矢量的个数取决于相邻阵元所对应圆心角与波束间距的比值。通过等效弦的转动采用同一组加权系数矢量产生多个波束，从而显著降低了加权系数矢量的个数，大大降低了硬件上对存储空间的要求，适用于工程上实现2D高分辨率成像。

Claims (6)

1.一种多波束形成方法，通过对接收阵元阵列所接收的回波信号进行处理在一定方向范围内生成一组波束特性相同的连续窄波束，所述接收阵元阵列包括在角度为α的圆弧上等间距排列的M个相同的接收阵元，α∈(0,2π]，M为大于1的整数；其特征在于，两个相邻接收阵元之间的圆心角为所述窄波束的波束间距的整数倍，每个窄波束通过对接收阵元阵列中N个连续排列的接收阵元所接收的回波信号进行加权移相相加得到，N为大于1且小于等于M的整数；波束加权系数矢量的个数取决于相邻阵元所对应圆心角与波束间距的比值，通过等效弦的转动采用同一组加权系数矢量产生多个波束，从而显著降低加权系数矢量的个数。
2.如权利要求1所述多波束形成方法，其特征在于，所述每个窄波束通过对阵元阵列中N个连续排列的接收阵元所接收的回波信号进行加权移相相加得到，具体如下：
式中，y(t)表示t时刻的窄波束信号；xk(t)表示形成该窄波束所用到的第k个接收阵元，在t时刻接收到的回波信号；e为自然常数；Wk表示形成该窄波束所用到的第k个接收阵元的幅度加权系数；ω0为第k个阵元信号xk(t)的角频率，τk和分别表示形成该窄波束所用到的第k个接收阵元的补偿声程差、补偿相位移，根据下式得到：
其中，R为接收阵元阵列的半径，v为回波的传播速度，λ为回波的波长，Δθk表示该窄波束方向与接收阵元阵列圆心和第k个接收阵元之间连线的夹角。
3.如权利要求2所述多波束形成方法，其特征在于，Wk按照下式得到：
Wk＝cos2Δθk
其中，Δθk表示该窄波束方向与接收阵元阵列圆心和第k个接收阵元之间连线的夹角。
4.如权利要求1-3任一项所述多波束形成方法，其特征在于，所述接收阵元阵列为声纳阵列或无线通信天线阵列。
5.如权利要求1-3任一项所述多波束形成方法，其特征在于，每个窄波束的方向靠近形成该窄波束的N个连续排列的接收阵元的中间位置。
6.一种使用如权利要求1-3任一项所述多波束形成方法的多波束声纳。
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