CN106324602A - 一种mimo声呐系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MIMO声呐系统，包括发射端和接收端，其中，发射端的发射阵划分多个子阵，每个子阵包含多个阵元；每个子阵的各个阵元发射同一种波形，各子阵发射不同波形，由此构成波形分集；同一子阵中，各阵元通过加权调整相位，实现发射波束形成，获取发射阵增益；接收端的接收阵对每一个接收阵元接收的回波信号进行匹配，根据匹配结果进行方位估计，获取各阵元的入射角DOA。本发明通过子阵划分，各子阵发射不同波形从而实现波形分集；在同一子阵中，通过加权调整相位，实现发射波束形成，获取发射阵增益。同时，本发明每个阵元仅输出一种波形，避免了多种波形叠加的复杂处理，而硬件上仅需在现有声呐系统的发射机系统上稍作调整即可。

Description

一种MIMO声呐系统

技术领域

本申请涉及水下通信技术领域，具体涉及一种多输入多输出(Multiple-InputMultiple-output，MIMO)声呐系统。

背景技术

上世纪90年代，无线通信领域为了克服通信信道衰落的问题，提出了MIMO通信，利用了无线信道的散射实现了高速无线通信，利用分集接受的思想为高分辨率识别、高概率检测、高稳健性探测提供了一种新的思路。雷达领域的研究人员将MIMO概念引入雷达中。随着MIMO雷达的发展，在声呐领域也开展了MIMO探测的研究。

过去十多年来，MIMO的概念如火如荼，但水下声信道具有复杂的时空频特性及随机起伏性，声传播条件远比无线通信信道恶劣，声呐系统与通信系统和雷达系统也有很大的区别，可以说分布式声呐的概念和优势尚待商榷，离实用还有很长的路要走。而密集式MIMO声呐源于相控阵发射接收，与现行系统的中的密集多波束、匹配滤波等处理相呼应，更具有实用价值。

现有技术中，叠加发射波束形成的主动声呐具有发射阵增益，因此可以增大发射功率，并实现指向性。分布式MIMO声呐应用场景较为局限。而密集式MIMO声纳参照MIMO雷达，各阵元发射正交波形。

密集式MIMO又称为集中式MIMO。图1为密集式MIMO声呐或雷达的示意图，由图1所示，发射阵列和接收阵列分别都是紧密布放的阵列，可以置于一处复用(收发合置)的单基地，也可以是收发分置的双基地。满足远场点目标的假设，则对于发射阵的各阵元发射角度可认为均为θ_t，对于接收阵的所有阵元入射角均为θ_r。发射阵发射的N_t个波形相互正交，可通过在接收阵匹配滤波分离正交信号，相当于N_tN_r个虚拟阵元的阵列。由此可以增大的虚拟孔径，增加系统的自由度，改善目标探测和参数估计性能。对于MIMO雷达而言，各发射阵元发射不同的波形使得辐射功率较低，会降低敌方雷达对己方的截获率，从而提高己方安全性。对于MIMO声呐而言，假如各阵元发射不同波形，则无法获得发射阵增益和指向性，声呐作用距离大大下降。

发明内容

本申请的目的是针对现有技术中的MIMO声呐系统中波形分集没有阵增益、作用距离短的缺陷，提供一种基于子阵波形分集的MIMO声呐系统，具体涉及一种密集型的MIMO声呐系统结构以及相应的波形设计方法，通过子阵划分实现波形分集，获取发射阵增益。

为实现上述目的，本发明提供了一种MIMO声呐系统，包括发射端和接收端，其中，所述发射端的发射阵划分多个子阵，每个子阵包含多个阵元；所述每个子阵的各个阵元发射同一种波形，各子阵发射不同波形，由此构成波形分集；所述同一子阵中，各阵元通过加权调整相位，实现发射波束形成，获取发射阵增益；

所述接收端的接收阵对每一个接收阵元接收的回波信号进行匹配，根据匹配结果进行方位估计，获取各阵元的入射角DOA。

优选地，所述各子阵发射的波形形成正交波形。

优选地，所述发射端以单频波为载波，以及采用零均值序列作为编码。

优选地，所述发射端的发射阵发出的信号矩阵为X＝ωS，其中，ω＝[ω₁，...，ω_P]，ω是K×P的矩阵，P为子阵个数，每个子阵有K个阵元。

优选地，所述接收端具体用于，用发射波形对每一个接收阵元接收的回波信号进行匹配，获得统计矩阵；

将所述统计矩阵转换为向量形式；

根据所述向量形式进方位估计，获取各阵元的入射角DOA。

优选地，所述发射端各阵元的离程角DOD相等，接收端各阵元的入射角DOA也相等。

优选地，所述发射端的发射阵为间距均匀线形阵，所述阵元间距均为半波长；每个子阵发出一种编码的BPSK信号，且所述子阵各阵元间叠加不同相位实现指向性。

本发明的优点在于：

本发明通过子阵划分，各子阵发射不同波形从而实现波形分集；在同一子阵中，通过加权调整相位，实现发射波束形成，获取发射阵增益。即，本发明通过子阵划分的方法来实现发射波束形成，每个阵元仅输出一种波形，避免了多种波形叠加的复杂处理，而硬件上仅需在现有声呐系统的发射机系统上稍作调整即可。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简要地介绍。显而易见地，下面附图中反映的仅仅是本发明的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得本发明的其他实施例。而所有这些实施例或实施方式都在本发明的保护范围之内。

图1为密集式MIMO声呐或雷达的示意图；

图2为基于子阵划分的MIMO声呐或雷达的示意图；

图3为16元的线性阵的子阵发射波束形成示意图。

具体实施方式

下面通过附图和具体的实施例，对本发明进行进一步的说明，但应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细说明之用，而不应理解为用以任何形式限制本发明，即并不意于限制本发明的保护范围。

在一个实施例中，本发明提供了一种基于子阵划分的MIMO声呐系统，包括发射端和接收端。图2为基于子阵划分的MIMO声呐或雷达的示意图，由图2所示，发射端的发射阵通过子阵划分，每个子阵的阵元发射同一中波形，各子阵发射不同波形，由此实现波形分集，此外，在同一子阵中，通过加权调整相位，实现发射波束形成，获取发射阵增益；接收端的接收阵对每一个接收阵元接收的回波信号进行匹配，根据匹配结果进行方位估计，获取各阵元的入射角DOA。下面针对发射端的发射阵和接收端的接收阵进行详细的介绍，具体为发射端子阵的划分和接收端的匹配方面：

一、发射阵划分子阵

步骤101，发射阵共划分N_t个阵元，分为P个子阵，每个子阵有K个阵元，N_t＝PK。

步骤102，发射阵中的每个子阵的各个阵元发射同一中波形，各子阵发射不同波形，由此构成波形分集。

具体地，以子阵1为例，发射波形1，阵元1～阵元K叠加不同的系数ω₁～ω_K，形成相位延迟。加权向量ω₁＝[ω₁，...，ω_K]^T，指向方向θ₁。同样地，阵元K+1～阵元2K，加权向量ω₂＝[ω_K+1，...，ω_2K]^T，指向方向θ₂。P个子阵可以指向P个方向，所以可同时完成P个方向的多波束，快速扫描搜索目标方位。

步骤103，发射端正交波形设计。

s＝[s₁，...，s_P]^T，为P个子阵分别发射的波形。因此，对于M个快拍，可得到波形矩阵S＝[s(1)，s(2)，...，s(M)]。优选地，各子阵发射的波形形成正交波形，即理想情况下，S应该是正交矩阵，有：

SS^H＝αI_P (1)

其中，P为子阵个数，每个子阵有K个阵元，^H代表共轭转置操作，^T代表矩阵或向量的转置操作，α代表发射波形的功率，I_P代表P×P的单位矩阵。

结合实际发射端发射机和接收端接收机硬件情况，发射端只能是正交编码调制的，具体采用零均值序列作为编码，载波为原有发射机的单频波。

具体地，包括以下步骤：

步骤103-1，生成P个零相关区(zero correlation zone，ZCZ)序列或其他伪随机编码序列。

步骤103-2，通过占空比调节方法产生频率为f₀的单频波。

步骤103-3，根据编码序列调节相位0和π，各子阵输出不同的二进制绝对相移调制(Binary Phase Shift Keying，BPSK)信号。

步骤104，通过相控构成发射波束形成，实现指向性。

具体地，在发射端调节加权向量矩阵ω可实现发射波束形成，使发射能量集中在观测范围内，获得感兴趣方向的发射阵增益。发射阵发出的信号矩阵应该为：

X＝ωS (2)

其中，ω＝[ω₁，...，ω_P]，ω是K×P的矩阵，P为子阵个数，每个子阵有K个阵元。

二、接收端匹配

声呐系统的发射端的发射阵通过子阵划分，同时各子阵发射不同波形，实现了波形分集；在同一子阵中，又通过加权调整相位，实现发射波速形成，获取发射阵的增益。声呐系统的接收端与发射端相匹配，才能完成目标方位的探测和参数估计性能。具体包括以下步骤：

步骤201，接收阵接收到的数据为：

$r={\mathrm{\γa}}_r\left({\mathrm{\θ}}_r\right)a_t^T\left({\mathrm{\θ}}_f\right)X+E={\mathrm{\γa}}_r\left({\mathrm{\θ}}_r\right)a_t^T\left({\mathrm{\θ}}_t\right)wS+E---\left(3\right)$

a_r和a_t分别为接收阵和发射阵的方向向量，θ_r和θ_t分别为目标的入射角(DOA)和离程角(DOD)，目标满足远场假设，所以发射阵各阵元的DOD相等，接收阵各阵元的DOA也相等。 τ_i(θ_r)和τ_j(θ_t)分别表示信号从第i个发射天线到达目标的时延和从目标到达第j个接收天线的时延；γ为传播过程中的散射系数，取决于海洋声传播信道；E为N_r×M维回波噪声矩阵，为简化，假设为0均值、方差σ²的高斯白噪声；^T代表矩阵或向量的转置操作。

步骤202，在接收阵用发射波形s＝[s₁，...，s_P]^T对每一个接收阵元接收的回波信号进行匹配，得充分统计矩阵：

Y＝rS^H (4)

其中，^H代表共轭转置操作，^T代表矩阵或向量的转置操作，γ为传播过程中的散射系数，取决于海洋声传播信道。

将(4)式转换为向量形式：

y_mf＝υec(Y^T)＝υec(conj(S)r^T) (5)

其中， ^T代表矩阵或向量的转置操作。

步骤203，在接收端进行方位估计等后续处理，估计得到DOA等参数。

下面结合一个具体实施例，来对发射端的发射波束形成进行进一步的说明。

以均匀线阵为例，图3是16元线性阵的子阵发射波束形成示意图，由图3所示，发射阵和接收阵均为16元等间距均匀线形阵。阵元间距均为半波长，发射阵划分为4个子阵，每个子阵发出一种编码的BPSK信号，并且在子阵各阵元间叠加不同相位实现指向性。子阵1～4各指向φ₁～φ₄。

$a_r={\[1,e^{j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{sin\θ}}_r},\mathrm{...},e^{j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}(N_r-1){\mathrm{sin\θ}}_r}\]}^T={\[1,e^{{\mathrm{j\πsin\θ}}_r},\mathrm{...},e^{j15{\mathrm{\πsin\θ}}_r}\]}^T.$

$w_1={\[1,e^{{\mathrm{j\πsin\φ}}_1},e^{j2{\mathrm{\πsin\φ}}_1},e^{j3{\mathrm{\πsin\φ}}_1}\]}^T,w_2={\[1,e^{{\mathrm{j\πsin\φ}}_2},e^{j2{\mathrm{\πsin\φ}}_2},e^{j3{\mathrm{\πsin\φ}}_2}\]}^T,$

$w_3={\[1,e^{{\mathrm{j\πsin\φ}}_3},e^{j2{\mathrm{\πsin\φ}}_3},e^{j3{\mathrm{\πsin\φ}}_3}\]}^T,w_4={\[1,e^{{\mathrm{j\πsin\φ}}_4},e^{j2{\mathrm{\πsin\φ}}_4},e^{j3{\mathrm{\πsin\φ}}_4}\]}^T.$

即发射端调节加权向量矩阵实现发射波束形成，使发射能量集中在观测范围内，获得感兴趣方向φ₁～φ₄的发射阵增益。

接收端作出相应匹配，即接收阵用发射波形对每一个接收阵元接收的回波信号进行匹配，获得统计矩阵；再转换为向量形式；然后根据向量形式进方位估计等后续处理，获取各阵元的入射角DOA。

在本发明实施例中，发射端通过子阵划分，各子阵发射不同波形，从而实现波形分集；在同一子阵中，通过加权调整相位，实现发射波束形成，获取发射阵增益。即，本发明通过子阵划分的方法来实现发射波束形成，每个阵元仅输出一种波形，避免了多种波形叠加的复杂处理，而硬件上仅需在现有声呐系统的发射机系统上稍作调整即可，同时接收端作出相应匹配，即可完成方位估计等后续处理。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种MIMO声呐系统，包括发射端和接收端，其特征在于，所述发射端的发射阵划分多个子阵，每个子阵包含多个阵元；所述每个子阵的各个阵元发射同一种波形，各子阵发射不同波形，由此构成波形分集；所述同一子阵中，各阵元通过加权调整相位，实现发射波束形成，获取发射阵增益；

所述接收端的接收阵对每一个接收阵元接收的回波信号进行匹配，根据匹配结果进行方位估计，获取各阵元的入射角DOA。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述各子阵发射的波形形成正交波形。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射端以单频波为载波，以及采用零均值序列作为编码。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射端的发射阵发出的信号矩阵为X＝wS，其中，w＝[w₁，...，w_P]，w是K×P的矩阵，P为子阵个数，每个子阵有K个阵元。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收端具体用于，

用发射波形对每一个接收阵元接收的回波信号进行匹配，获得统计矩阵；

将所述统计矩阵转换为向量形式；

根据所述向量形式进方位估计，获取各阵元的入射角DOA。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射端各阵元的离程角DOD相等，接收端各阵元的入射角DOA也相等。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射端的发射阵为间距均匀线形阵，所述阵元间距均为半波长；每个子阵发出一种编码的BPSK信号，且所述子阵各阵元间叠加不同相位实现指向性。