CN105022054B - 一种用于拖曳线列阵的逆波束形成干扰抵消方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于拖曳线列阵的逆波束形成干扰抵消方法，本发明的逆波束形成干扰抵消方法通过干扰重建矩阵WI来估计干扰信号，充分考虑阵型畸变、声速变化等因素随着阵元的变化，并针对每个阵元的情况重建干扰信号，使每个阵元都有独立的重建干扰信号；进而利用该方法可以提高现有的逆波束形成干扰抵消方法的宽容性，在复杂多变的海洋环境中获得较好的干扰抵消效果，利于信号的进一步检测。
Description
技术领域
本发明涉及拖曳线列阵强干扰抵消技术领域，特别涉及一种用于拖曳线列阵的逆波束形成干扰抵消方法。
背景技术
微弱信号的检测与估计是阵列信号处理的关键技术之一。当目标信号很弱而干扰信号较强时，在空间谱估计中目标信号的谱峰会被强干扰的旁瓣所掩盖，对微弱信号检测概率和波达方向估计造成很大影响。因此，若要实现对微弱目标信号的检测和估计，必须对强干扰进行有效抵消。
在实际工程中，基于干扰方位特性的逆波束形成干扰抵消方法是经常用到的，逆波束形成干扰抵消方法是近几年来国内学者提出的一种干扰抵消方法，该方法首先检测干扰信号的方位，然后利用干扰方位知识构造干扰信号，最后利用构造的干扰信号进行干扰抵消。但是该方法对整个阵列仅有一个估计干扰信号，忽略了由阵型畸变、声速变化等原因造成的干扰信号在各个阵元上的差异。而在实际工程应用中，阵型畸变、声速变化等因素往往又是存在的，忽略了这些因素的逆波束形成干扰抵消方法的宽容性较差，当环境参量发生变化时，逆波束形成干扰抵消效果会严重下降，进而影响信号的进一步检测。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有的逆波束形成干扰抵消方法的宽容性较差，进而导致干扰抵消效果差的技术问题，在存在阵型畸变、声速变化等复杂海洋环境下，提出了一种逆波束形成干扰抵消的改进处理方法，以提高现有的干扰抵消方法在复杂海洋环境下的性能，利于目标的进一步检测和估计。为实现上述目的，本发明涉及一种具有良好宽容性的逆波束形成干扰抵消方法。
为实现上述目的，本发明提供一种用于拖曳线列阵的逆波束形成干扰抵消方法，该方法包括：
步骤1)获取拖曳线列阵中各个阵元的接收信号，并建立阵列接收信号模型；
步骤2)利用步骤1)中建立的阵列接收信号模型进行常规波束形成，从该波束形成的结果中选取最大波束输出方位作为干扰来向；
步骤3)从步骤2)得到的干扰来向中选取与待估计阵元相邻的阵元的接收信号，构造干扰重建矩阵WI，
其中，Γ＝exp(-j2πfdcosθ/c)，j表示虚数单位，d表示阵元间距，c表示水声声速，f表示接收信号频率，θ表示搜索的方位角，N表示选取的相邻阵元的个数，M表示拖曳线列阵的阵元个数，且N≤M；
步骤4)利用步骤3)中建立的干扰重建矩阵WI估计干扰信号矩阵，该干扰信号矩阵Iest＝WIX，X表示阵列接收信号；
步骤5)利用步骤4)中估计的干扰信号矩阵Iest进行归一化处理，并根据归一化后的干扰信号矩阵对阵列接收信号模型进行干扰抵消，得到干扰抵消后的阵列接收信号矩阵；
步骤6)对步骤5)中获得的阵列接收信号矩阵进行波束形成，得到目标信号的空间谱。
作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤1)中的阵列接收信号模型表示为：
X(t)＝{x1(t),x2(t),…,xM(t)}T
其中，x(t)表示各阵元在时刻t的接收信号，M表示拖曳线列阵的阵元个数，T表示矩阵转置。
作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤2)中的常规波束形成的输出表示为：
其中，j表示虚数单位，M表示拖曳线列阵的阵元个数，ωm表示第m个阵元的加权系数，d表示阵元间距，c表示水声声速，f表示接收信号频率，θ表示搜索的方位角，Xm(f)表示第m个阵元频域形式的接收信号。
作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤5)中根据归一化后的干扰信号矩阵对阵列接收信号模型进行干扰抵消的方法表示为：
Xpro＝X-I′est
其中，Xpro表示干扰抵消后的阵列接收信号矩阵，X表示阵列接收信号，I′est表示归一化后的干扰信号矩阵。
作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤6)中阵列接收信号矩阵进行波束形成的公式表示为：
P'(w,θ)＝P's(w,θ)+P'I(w,θ)+P'n(w,θ)
其中，P's(w,θ)表示波束形成的信号项，P'I(w,θ)表示波束形成的干扰项，P'n(w,θ)表示波束形成的噪声项，上式中的P's(w,θ)、P'I(w,θ)和P'n(w,θ)分别表示为：
其中，s(w)是目标信号的频域形式，I(w)是干扰信号的频域形式，ni(w)表示第i个阵元接收到的背景噪声，j表示虚数单位，θ表示搜索的方位角，N表示选取的相邻阵元的个数，M表示拖曳线列阵的阵元个数，且N≤M； γ表示目标信号的方向、Ф表示干扰信号的方向，d表示阵元间距，c表示水声声速；w表示角频率，e是自然对数底，τ'＝dcosθ/c，△i表示第i个阵元的随机干扰。
本发明的逆波束形成干扰抵消方法通过充分考虑环境变量变化情况，重新构造干扰估计，使该方法在环境变量多变的情况下获得较好的干扰抵消效果，利于信号的进一步检测。理论分析及Matlab数值仿真结果表明：本发明较现有的逆波束形成干扰抵消方法在环境变量变化的情况下具有更好的干扰抵消效果。
本发明的一种用于拖曳线列阵的逆波束形成干扰抵消方法优点在于：
本方法通过干扰重建矩阵WI来估计干扰信号，充分考虑阵型畸变、声速变化等因素随着阵元的变化，并针对每个阵元的情况重建干扰信号，使每个阵元都有独立的重建干扰信号；进而利用该方法可以提高现有的逆波束形成干扰抵消方法的宽容性，在复杂多变的海洋环境中获得较好的干扰抵消效果，利于信号的进一步检测。
附图说明
图1为一种用于拖曳线列阵的逆波束形成干扰抵消方法流程图。
图2为拖曳线列阵中阵元布阵图。
图3为干扰项期望最大值随阵元数目变化的曲线对比图。
图4为无随机扰动情况下，阵列接收信号直接波束形成示意图。
图5为无随机扰动情况下，利用常规逆波束形成干扰抵消方法进行干扰抵消后波束形成示意图。
图6为无随机扰动情况下，利用本发明的逆波束形成干扰抵消方法进行干扰抵消后波束形成示意图。
图7为有随机扰动情况下，阵列接收信号直接波束形成示意图。
图8为有随机扰动情况下，利用常规逆波束形成干扰抵消方法进行干扰抵消后波束形成示意图。
图9为有随机扰动情况下，利用本发明的逆波束形成干扰抵消方法进行干扰抵消后波束形成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述一种逆波束形成干扰抵消方法进行详细说明。
在对本发明的逆波束形成干扰抵消方法做详细说明前，首先对本实施例中的拖曳线列阵加以描述。如图2所示，该拖曳线列阵是阵元数为M的等间距水平线阵，目标从γ方向辐射信号、干扰从Ф方向辐射吸纳后，经水声信道传播后到达该拖曳线列阵。以该拖曳线列阵为例，下面对本发明的方法做详细说明。
如图1所示，本发明所述的用于拖曳线列阵的逆波束形成干扰抵消方法包括以下步骤：步骤1)：获取拖曳线列阵中各个阵元的接收信号，并建立阵列接收信号模型；
此时的阵列接收信号模型可表示为：
X(t)＝{x1(t),x2(t),…,xM(t)}T (1)
其中，x(t)表示各阵元在时刻t的接收信号，它包括干扰信号、目标信号以及环境噪声，M表示拖曳线列阵的阵元个数，T表示矩阵转置。假设环境噪声各向同性，目标和干扰均为远场信号，且均以平面波形式到达阵列，干扰信号、目标信号和环境噪声相互独立。在上述假设下式(1)的向量形式可表示为：
X(t)＝AS(t)+N(t) (2)
上式中X(t)为M×1维阵列接收信号，S(t)为P×1维信号空间(其中P为信源个数，包括目标信号和干扰信号)，N(t)为M×1维噪声数据，A为M×P的导向矢量矩阵，按照图2中假定的信源数目和各信源入射角度有：A＝[aI(γ),aS(Φ)]，
其中
上式(3)、(4)中的c表示水声声速。
步骤2)：对步骤1)中的阵列接收信号模型进行常规波束形成，以检测干扰信号的方位，从该波束形成的结果中选取最大波束输出方位作为干扰来向；
在本实施例中，上述常规频域波束形成的输出可表示为：
上式中，j表示虚数单位，M表示拖曳线列阵的阵元个数,ωm表示第m个阵元的加权系数，d表示阵元间距，c表示水声声速，f表示接收信号频率,θ表示搜索的方位角，Xm(f)表示第m个阵元频域形式的接收信号。从上述波束形成的结果中选取最大波束输出方位θmax，一般情况下认为θmax即为干扰来向。
步骤3)：利用步骤2)中检测到的干扰方向θmax，选取与待估计阵元相邻的阵元的接收信号构造干扰重建矩阵WI。
由于具有良好宽容性的逆波束形成干扰抵消方法估计干扰信号的思路是独立估计每个阵元对应的干扰信号，以充分体现阵型畸变、声速变换等随阵元的变化，以适应复杂多变的海洋环境。在本实施例中，为实现上述干扰信号重建思路，在实际应用中选取被估计阵元mx临近的N(N小于等于M)个阵元的接收信号来估计阵元mx对应的干扰信号，此时干扰重建矩阵WI为下三角矩阵，其主对角元素均为1，下1对角元素(主对角线下边第一条对角线上的元素)均为exp(-j2πfdcosθ/c)，下i对角元素(主对角线下边第i条对角线上的元素，其中2≤i≤N-2)均为exp(-j2πfidcosθ/c)，下(N-1)对角元素均为exp[-j2πf(N-1)dcosθ/c]，(主对角线下边第(N-1)条对角线上的元素)，其余元素均为0，具体如式(6)所示：
上式中，Γ＝exp(-j2πfdcosθ/c)，j表示虚数单位，d表示阵元间距，c表示水声声速，f表示接收信号频率，θ表示搜索的方位角，N表示选取的相邻阵元的个数，M表示拖曳线列阵的阵元个数，且N≤M。
步骤4)：利用步骤3)中建立的干扰重建矩阵WI估计干扰信号矩阵Iest，Iest＝WIX，X表示阵列接收信号。
步骤5)：利用步骤4)中估计出的干扰信号矩阵Iest进行干扰抵消，在抵消前首先对干扰信号矩阵Iest进行归一化处理，对Iest每行乘以一个常数，以保证每个阵元对应的干扰幅值相同，并根据归一化后的干扰信号矩阵I'est对阵列接收信号模型进行干扰抵消，得到干扰抵消后的阵列接收信号矩阵；
此时的干扰抵消方法可表示为：
Xpro＝X-I′est (7)
其中，Xpro表示干扰抵消后的阵列接收信号矩阵，X表示阵列接收信号，需要特别指出的是，若存在多个干扰则将Xpro作为X，重复步骤2)～步骤4)。
步骤6)：对步骤5)中获得的干扰抵消后的阵列接收信号矩阵Xpro进行波束形成，得到目标信号的空间谱。接下来对比常规逆波束形成干扰抵消方法，对本发明的逆波束形成干扰抵消方法具有良好宽容性的原因进行理论分析。
对于图2所示的拖曳线列阵，其各阵元的接收信号在理想情况下可表示为：
而在实际海洋环境中，由于阵型畸变、声速变化等多种因素的存在，各阵元的接收信号的相位往往存在一个随机扰动，由于扰动是大量无规因素引起的，因此根据中心极限定理，可以认为接收信号相位随机扰动在一定范围内是遵从高斯分布的随机信号。假设各个阵元接收信号的相位扰动是统计独立、零均值的高斯随机变量，且假设方差均为σ2。在考虑阵元接收信号相位扰动后，各阵元的接收信号频域形式可表示为：
上式中s(w)是目标信号的频域形式，I(w)是干扰信号的频域形式，n1(w)，n2(w)，……，nM(w)分别表示各个阵元接收到的背景噪声，w表示角频率，j表示虚数单位，e是自然对数底，Δ1，…，ΔM表示各个阵元的随机干扰，它们均服从均值为0，误差为σ2的高斯分布，且相互独立。按照逆波束形成步骤，首先应检测干扰方位，考虑到两种干扰抵消方法在干扰检测中没有差异，所以假设已知干扰方向，直接进行干扰重构。常规逆波束形成干扰抵消方法为直接在干扰方向上进行波束形成，将波束形成结果作为干扰估计信号，根据式(9)并利用常规逆波束形成干扰抵消方法估计的干扰信号可表示为：
为了方便分析，将上式中的记为γ1，记为γ2，记为γ3。经简化后，上述公式(10)可写为：
利用估计干扰信号I1(w)对阵列进行干扰抵消，干扰抵消后各个阵元的接收信号表示为：
式(12)中
将如(12)式所示的干扰抵消后的阵列接收信号在方向θ上进行波束形成，记τ'＝dcosθ/c，其表示主波束指向θ时，相邻阵元间时延补偿的差。此时波束形成结果可表示为：
P(w,θ)＝Ps(w,θ)+PI(w,θ)+Pn(w,θ) (13)
上式中Ps(w,θ)、PI(w,θ)、Pn(w,θ)分别称为信号项、干扰项和噪声项，具体如式(14)、(15)、(16)所示：
其中λ＝e-jwτ′，其他变量含义同上文一致。
由式(13)～(16)可知，干扰的随机扰动Δi导致了干扰项PI(w,θ)的存在，而随θ变化，PI(w,θ)会在某方位θ1上取得最大值PI(w,θ1)，如果PI(w,θ1)较大且方位θ1与目标方位γ不同，则有可能导致P(w,θ)在方位θ1上的值超过在方位γ上的值，出现虚假峰，使真实目标无法被检测到。另外，通过式(13)～(16)可以发现，Δi仅存在于PI(w,θ)中，如果能通过一定方法在干扰不变的情况下减少PI(w,θ1)的大小，则可以减小干扰项对目标检测的影响，进而改善逆波束形成方法在复杂海洋环境中的性能。
接下来分析：在存在上述相同干扰时，利用本发明的逆波束形成干扰抵消方法生成的干扰项与上述常规方法生成的干扰项进行比较。
假设选取被估计阵元mx临近的N(M＝kN，M为拖曳线列阵的阵元数目，k为大于1的整数)个阵元的接收信号来估计阵元mx对应的干扰信号。根据上文分析，干扰重建矩阵WI如式(6)所示。利用WI进行干扰重建，对重建的干扰信号矩阵Iest进行归一化处理，并利用归一化后的I'est进行干扰抵消，将干扰抵消后信号在方向θ进行波束形成，此时波束形成结果如下式所示：
P'(w,θ)＝P's(w,θ)+P'I(w,θ)+P'n(w,θ) (17)
式(17)中P'(w,θ)表示利用本发明进行干扰抵消后阵列接收信号波束形成结果，P's(w,θ)表示波束形成的信号项，P'I(w,θ)表示波束形成的干扰项，P'n(w,θ)表示波束形成的噪声项。
P's(w,θ)、P'I(w,θ)、P'n(w,θ)分别如式(18)～(20)所示：
式(18)～(20)中各个变量含义与上文相同。
下面比较在相同条件下，式(15)与式(19)最大值的大小。由于两式中均含有随机变量，所以在此比较两者期望最大值的大小。根据Δi的分布特性及正态分布的特征函数可得：
在此利用数值仿真的方法给出式(21)、(22)的最大值比较，即假设信号角频率w＝100Hz，阵元间距d＝1m，水下声速c＝1500m/s，干扰信号方位γ＝90°，随机扰动均值μ＝0，随机扰动方差σ2＝3×10-4，仿真中的相邻阵元个数N＝4。在上述仿真条件下，式(21)与(22)的最大值随阵元数的变化规律如图3所示，其中最大值经过归一化处理。
由图3可以看出，本发明的逆波束形成干扰抵消方法对应的干扰项期望的最大值要小于常规逆波束形成干扰抵消对应干扰项的最大值。在相同随机扰动的情况下，具有良好宽容性的逆波束形成干扰抵消方法的干扰项期望最大值小，说明采用本发明的方法后，会减小干扰项对干扰抵消后波束形成结果的影响，利于信号的检测与估计。
下面结合实例，对本发明所述的方法与常规逆波束形成干扰抵消方法的抵消效果进行比较。
仿真中采用64元均匀线列阵，阵元间距为2.5m；干扰信号和目标信号均为宽带随机信号，频率范围为100～300Hz，信干比为-22dB，目标信号方位Φ＝40°，干扰信号方位γ＝150°；背景噪声为带限高斯噪声，频率范围为100～300Hz，信噪比为-15dB；采样频率为3000Hz；水中声速取为1500m/s，仿真中的相邻阵元个数N＝4。
首先，给出在没有随机扰动的情况下，常规逆波束形成干扰抵消方法和本发明的方法，在上述仿真条件下干扰抵消后的波束形成空间谱图。图4给出的是未经干扰抵消的阵列信号波束形成结果，由图4可以看出由于150度干扰信号强度太强导致40度目标信号难以被辨认。图5、图6分别是，利用常规逆波束形成干扰抵消方法与本发明的方法干扰抵消后的波束形成结果。由这两幅图可见，在没有随机扰动的情况下这两种方法均可以将干扰抵消而不影响信号的进一步检测与估计。
然后，仿真分析两种方法在存在随机扰动的情况下的干扰抵消效果，假设随机扰动均值μ＝0，随机扰动方差σ2＝3×10-4，其他仿真条件不变。图7给出的是未经干扰抵消的阵列信号波束形成结果，由图7可以看出由于150度干扰信号强度太强导致40度目标信号难以被辨认。图8是常规逆波束形成干扰抵消方法干扰抵消后的波束形成结果，此时由随机扰动的造成干扰项在18度方位较大，使干扰抵消后波束形成在这两个方位的值大于目标方位的值，影响信号的检测与估计。图9是利用本发明的逆波束形成干扰抵消方法干扰抵消后的波束形成结果，此时虽然仍存在干扰项，但由上述分析可知，采用该方法的干扰项较常规方法小，干扰抵消后波束形成最大值仍在目标方位上。这说明在存在随机扰动的复杂海洋环境中，常规逆波束形成干扰抵消方法宽容性较差，当环境参量发生变化时，逆波束形成干扰抵消效果会严重下降，进而影响信号的进一步检测。而本发明的逆波束形成干扰抵消方法充分考虑环境变量变化情况，重新构造干扰估计，使该方法在环境变量多变的情况下仍能获得较好的干扰抵消效果，利于信号的进一步检测。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种用于拖曳线列阵的逆波束形成干扰抵消方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1)获取拖曳线列阵中各个阵元的接收信号，并建立阵列接收信号模型；
步骤2)利用步骤1)中建立的阵列接收信号模型进行常规波束形成，从该波束形成的结果中选取最大波束输出方位作为干扰来向；
步骤3)从步骤2)得到的干扰来向中选取与待估计阵元相邻的阵元的接收信号，构造干扰重建矩阵WI，
其中，Γ＝exp(-j2πfdcosθ/c)，j表示虚数单位，d表示阵元间距，c表示水声声速，f表示接收信号频率，θ表示搜索的方位角，N表示选取的相邻阵元的个数，M表示拖曳线列阵的阵元个数，且N≤M；
步骤4)利用步骤3)中建立的干扰重建矩阵WI估计干扰信号矩阵，该干扰信号矩阵Iest＝WIX，X表示阵列接收信号；
步骤5)利用步骤4)中估计的干扰信号矩阵Iest进行归一化处理，并根据归一化后的干扰信号矩阵对阵列接收信号模型进行干扰抵消，得到干扰抵消后的阵列接收信号矩阵；
步骤6)对步骤5)中获得的阵列接收信号矩阵进行波束形成，得到目标信号的空间谱。
2.根据权利要求1所述的用于拖曳线列阵的逆波束形成干扰抵消方法，其特征在于，所述步骤1)中的阵列接收信号模型表示为：
X(t)＝{x1(t),x2(t),...,xM(t)}T
其中，x1(t)表示1个阵元在时刻t的接收信号，x2(t)表示2个阵元在时刻t的接收信号，xM(t)表示M个阵元在时刻t的接收信号，M表示拖曳线列阵的阵元个数，T表示矩阵转置。
3.根据权利要求1所述的用于拖曳线列阵的逆波束形成干扰抵消方法，其特征在于，所述步骤2)中的常规波束形成的输出表示为：
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其中，j表示虚数单位，M表示拖曳线列阵的阵元个数，d表示阵元间距，c表示水声声速，f表示接收信号频率，θ表示搜索的方位角，Xm(f)表示第m个阵元频域形式的接收信号。
4.根据权利要求1所述的用于拖曳线列阵的逆波束形成干扰抵消方法，其特征在于，所述步骤5)中根据归一化后的干扰信号矩阵对阵列接收信号模型进行干扰抵消的方法表示为：
Xpro＝X-I′est
其中，Xpro表示干扰抵消后的阵列接收信号矩阵，X表示阵列接收信号，I′est表示归一化后的干扰信号矩阵。
5.根据权利要求1所述的用于拖曳线列阵的逆波束形成干扰抵消方法，其特征在于，所述步骤6)中阵列接收信号矩阵进行波束形成的公式表示为：
P′(w,θ)＝P′s(w,θ)+P′I(w,θ)+P′n(w,θ)
其中，P's(w,θ)表示波束形成的信号项，P'I(w,θ)表示波束形成的干扰项，P'n(w,θ)表示波束形成的噪声项，上式中的P's(w,θ)、P'I(w,θ)和P'n(w,θ)分别表示为：
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其中，s(w)是目标信号的频域形式，I(w)是干扰信号的频域形式，ni(w)表示第i个阵元接收到的背景噪声，j表示虚数单位，θ表示搜索的方位角，N表示选取的相邻阵元的个数，M表示拖曳线列阵的阵元个数，且N≤M； γ表示目标信号的方向、Ф表示干扰信号的方向，d表示阵元间距，c表示水声声速；w表示角频率，e是自然对数底，λ＝e-jwτ′，τ'＝dcosθ/c，△i表示第i个阵元的随机干扰。
Priority Applications (1)
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| 拖曳阵本船干扰模拟软件设计;赵瑞昕;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20140415;正文第11，15，16页 * |
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