CN106646343A - 一种基于子阵划分的波束形成后干扰阻塞方法 - Google Patents

一种基于子阵划分的波束形成后干扰阻塞方法 Download PDF

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Abstract

一种基于子阵划分的波束形成后干扰阻塞方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤一：获取拖曳线列阵中各个阵元的接收信号，将各阵元接收信号记为xi(n),1≤i≤M，M为阵元数；步骤二：对步骤一中的阵列进行子阵划分，子阵划分规则是每P个阵元取1个阵元组成子阵，即每隔P-1个取一个，且每个阵元仅能被划分一次，划后第i个子阵的第j个阵元表示为xij；本方法针对干扰和信号相距较近的情况，提出了一种基于子阵划分的波束形成后干扰阻塞方法。本方法通过子阵划分将阵列划分为若干子阵，然后在子阵上进行波束形成、干扰阻塞抵消。利用本方法可以减小干扰阻塞方法的抵消范围，当目标和干扰相距较近时使干扰抵消后的信号受到的较小的衰减，利于信号的进一步检测。理论分析及Matlab数值仿真结果表明：本发明较干扰阻塞方法有较小的地抵消范围。

Description

一种基于子阵划分的波束形成后干扰阻塞方法
技术领域
本发明是一种基于子阵划分的波束形成后干扰阻塞方法，涉及拖曳线列阵强干扰抑制领域，特别涉及一种子阵划分的波束形成干扰阻塞算法方法。
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的检测和估计，必须对强干扰进行有效抑制。
在实际工程中，基于干扰方位特性的干扰阻塞算法是经常用到的，但是该方法往往存在抵消范围大的问题。当干扰和目标相距较近时，在抵消干扰的同时会使目标受到严重衰减，进而影响信号的进一步检测。
对此，本发明针对干扰和信号相距较近的情况，提出了一种基于子阵划分的波束形成后干扰阻塞方法。本方法通过子阵划分将阵列划分为若干子阵，然后在子阵上进行波束形成、干扰阻塞抵消。利用本方法可以减小干扰阻塞方法的抵消范围，当目标和干扰相距较近时使干扰抵消后的信号受到的较小的衰减，利于信号的进一步检测。理论分析及Matlab数值仿真结果表明：本发明较干扰阻塞方法有较小的地抵消范围。
发明内容
本发明的目的是在强干扰和目标相距较近的情况下提出了一种基于子阵划分的波束形成后干扰阻塞方法，以对强干扰抑制的改进处理方法，以减少干扰抑制后对目标的衰减程度。
一种基于子阵划分的波束形成后干扰阻塞方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一：获取拖曳线列阵中各个阵元的接收信号，将各阵元接收信号记为xi(n),1≤i≤M，M为阵元数；
步骤二：对步骤步骤一中的阵列进行子阵划分，子阵划分规则是每P个阵元取1个阵元组成子阵，即每隔P-1个取一个，且每个阵元仅能被划分一次，划后第i个子阵的第j个阵元表示为xij；
步骤三：对步骤二中的各个子阵在强干扰方向进行波束形成，各个子阵的波束输出为y1,…,yP；
步骤四：对步骤三中P个子阵的波束输出结果y1,…,yP，利用强干扰的方位先验知识构造干扰阻塞矩阵，进行强干扰抵消，干扰抵消后的结果为y′1,…,y′P-1；
步骤五：对步骤四中干扰抵消后的结果y′1,…,y′P-1，进行波束形成，得到目标信号的空间谱。
在所述步骤二与4)中，步骤2)中对阵列每P个(即每隔P-1个)阵元取1个阵元组成子阵；步骤4)中对各子阵波束形成后的结果利用干扰阻塞算法进行干扰抵消，在子阵波束输出结果上进行强干扰抵消较传统干扰阻塞算法的抵消范围小，利于信号的进一步检测与估计。
本发明的优点：
本方法针对干扰和信号相距较近的情况，提出了一种基于子阵划分的波束形成后干扰阻塞方法。本方法通过子阵划分将阵列划分为若干子阵，然后在子阵上进行波束形成、干扰阻塞抵消。利用本方法可以减小干扰阻塞方法的抵消范围，当目标和干扰相距较近时使干扰抵消后的信号受到的较小的衰减，利于信号的进一步检测。理论分析及Matlab数值仿真结果表明：本发明较干扰阻塞方法有较小的地抵消范围。
附图说明
图1、本发明流程图；
图2、本发明拖曳线列阵布阵示意图接收信号阵元布阵图；
图3、本发明干扰抵消后目标信号相对于真实目标信号的幅度变化倍数；
图4、本发明衰减区间定义示意图；
图5、本发明目标与干扰相距较近时，阵列接收信号直接波束形成结果示意图；
图6、本发明干扰阻塞方法强干扰抵消后的结果示意图；
图7、本发明基于子阵划分的波束形成后干扰阻塞方法强干扰抵消后的结果示意图；
具体实施方式
一种基于子阵划分的波束形成后干扰阻塞方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一：获取拖曳线列阵中各个阵元的接收信号，将各阵元接收信号记为xi(n),1≤i≤M，M为阵元数；
步骤二：对步骤步骤一中的阵列进行子阵划分，子阵划分规则是每P个阵元取1个阵元组成子阵，即每隔P-1个取一个，且每个阵元仅能被划分一次，划后第i个子阵的第j个阵元表示为xij；
步骤三：对步骤二中的各个子阵在强干扰方向进行波束形成，各个子阵的波束输出为y1,…,yP；
步骤四：对步骤三中P个子阵的波束输出结果y1,…,yP，利用强干扰的方位先验知识构造干扰阻塞矩阵，进行强干扰抵消，干扰抵消后的结果为y′1,…,y′P-1；
步骤五：对步骤四中干扰抵消后的结果y′1,…,y′P-1，进行波束形成，得到目标信号的空间谱。
在所述步骤二与4)中，步骤2)中对阵列每P个(即每隔P-1个)阵元取1个阵元组成子阵；步骤4)中对各子阵波束形成后的结果利用干扰阻塞算法进行干扰抵消，在子阵波束输出结果上进行强干扰抵消较传统干扰阻塞算法的抵消范围小，利于信号的进一步检测与估计。
现结合附图对本发明作进一步的描述。
在对本发明的方法做详细说明前，首先对本发明方法所适用的拖曳线列阵加以描述。图2为拖曳线列阵示意图，该接收拖线阵是阵元数为M的等间距水平线阵，目标从θ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。以该接收拖线阵为例，下面对本发明的方法做详细说明。
参考图，本发明的方法包括以下步骤：
步骤1)：当目标和干扰在方位上相距较近时，可以采用下面所述方法实现对干扰的有效抵消，且可以避免对目标信号的削弱，利于信号的进一步检测和估计。
首先获取拖曳线列阵中各个阵元的接收信号，将各阵元接收信号记为xi(n),1≤i≤M(M为阵元数)
此情况下阵列的输出信号为：
X(t)＝{x1(t),x2(t),…，xM(t)}T (1)
其中xk(t)，k＝1,2,..,M表示第k个阵元在时刻t的输出信号，它包括I(t)、S(t)以及环境噪声。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(1)式的向量形式为
X(t)＝AS(t)+N(t) (2)
式中X(t)为M×1维阵列接收信号，S(t)为N×1维信号空间(N为信源个数，包括信号和干扰)，N(t)为M×1维噪声数据，A为M×N的导向矢量矩阵，按照图1中假定的信源数目和各信源入射角度有A＝[aI(θ),aS(Φ)]，其中
式(3)、(4)中c表示信号传输速度。
步骤2)：对步骤1)中的阵列进行子阵划分，子阵划分规则是每P个(即每隔P-1个)阵元取1个阵元组成子阵，且每个阵元仅能被划分一次，划后第i个子阵的第j个阵元表示为xij。
步骤3)：对步骤2)中的各个子阵在强干扰方向波束形成，各个子阵的波束输出为y1,…,yP。
步骤4)：对步骤3)中P个子阵的波束输出结果y1,…,yP，利用强干扰的方位先验知识构造干扰阻塞矩阵，进行强干扰抵消，干扰抵消后的结果为y′1,…,y′P-1。
各子阵波束输出信号经y1,…,yP，过阻塞矩阵W后可得到抵消强干扰后的信号y′1,…,y′P-1，干扰阻塞矩阵W如式(5)所示。
步骤5)：对步骤4)中干扰抵消后的结果y′1,…,y′P-1，进行波束形成得到目标信号的空间谱。
本发明的方法与现有技术中的方法相比具有明显的优点，实际干扰抵消中常用的干扰阻塞算法。
干扰阻塞算法是近几年来国内学者提出的宽带强干扰抑制方法，该算法充分利用强干扰的先验知识构造阻塞矩阵抑制抑制方位的强干扰。但是当干扰和目标的方位角很近时，该算法会在抑制干扰的同时会对信号造成衰减，进而影响信号的进一步检测与估计。
由式(2)、(3)、(4)可知信号和干扰的角度均体现在导向矩阵A上。干扰阻塞算法算法就是利用干扰入射角度Φ作为先验知识对矩阵A进行降秩，进而消去干扰的影响。干扰阻塞算法算法利用(M-1)×M阻塞矩阵实现矩阵A的降秩。阻塞矩阵如(6)式所示
对导向矩阵A利用阻塞矩阵W处理有
WA＝[a′I,a′S] (7)
由式((7)可知经过阻塞矩阵即可滤去强干扰，式中a'I与a'S均为(M-1)维列向量，其中
a′I＝[0 0 … 0]T (8)
接下来对比干扰阻塞算法，对基于子阵划分的波束形成后干扰阻塞算法具有较小的抵消范围进行理论分析。
但由式(8)发现，消除强干扰后得到的目标信号频域形式为经过阻塞矩阵W′滤去强干扰的同时信号也会受到影响。消除强干扰后得到的目标信号频域形式为
S'(ω)＝S(ω)[1-e-jω(dcosθ-dcosΦ)/c] (10)
由上式知抵消干扰后的目标信号S'(ω)相对于真实目标信号S(ω)发生了失真。S'(ω)与S(ω)的比值随信号入射角度θ的变化如图3所示。
对于基于子阵划分的波束形成干扰阻塞方法而言，其阵列的接收信号可表示为
将该均匀线列阵每N个阵元分成一个子阵，则该阵列可以分为m个子阵。将个子阵在强干扰方向进行波束形成，波束形成后各子阵的输出为
上式利用干扰阻塞算法抵消强干扰可得干扰抵消后的信号(用频域表示)为对上式化简可得，
信号的衰减是幅值的衰减，为了便于分析信号幅值的变化，将式(13)取模写为
为了方便分析基于子阵划分的波束形成后干扰阻塞方法在信号衰减范围方面的改善，定义衰减区间其中与的含义如图4所示，即当目标处于位置时，强干扰抵消后目标恰好不被衰减；当目标位于与之间时，会因为干扰的抵消而受到衰减，故该区间称为衰减区间。
针对(11)式，首先单独分析第一部分对信号幅值的影响，将带入该部分可得此时在衰减区间左、右边界上的θ分别满足
由衰减区间定义知左边界上的角度记为右边界上的角度记为考虑宽带强干扰的情况，只有在处各子带叠加后|S'(ω)|才取0。所以对宽带强干扰而言，要使衰减区间的定义有意义，衰减区间的边界满足：是θ从开始往左第一次使等于的值，同理是往右第一次等于的值。又因为对θ而言是连续函数，所以此时有
对于基于阵元组合的干扰阻塞算法而言，同理可得
由式(17)、(18)、(19)、(20)可得，
由上述两式得
接下来讨论与与的大小
因为P≥2，所以又因为与与均在o到π之间，所以进而可得
接下来分析基于阵元组合的干扰阻塞算法对信号衰减程度的影响。由于在衰减区间外干扰抵消不会削弱信号，不影响信号的进一步检测，所以这里讨论改进算法在衰减区间内对信号衰减程度的影响。
记为γ，可将写为γ的函数，如下式所示。
由式(17)、(18)知，γ在衰减区间内的取值范围为由f(γ)的性质易得，其在上单调递减，在上单调递增。
上述阵元组合相当于对f(γ)放缩了P倍，即
在上，由于P≥2，所以在该区间某一角度γ0上有Pγ0<γ0,又在该区间上f(γ)单调递减，故有f(Pγ0)>f(γ0)；同理可得在区间上，有f(Pγ0)>f(γ0)。所以在衰减区间内基于阵元组合的干扰阻塞算法减小了信号的衰减程度。
现在重点分析式(11)第二部分，为了分析方便我们将第二部分变为N的函数，即
通过分析，我们知道(13)式第一部分可以减少衰减区间，现在分析第二部分对衰减区么易得f(N)也是N的增函数，所以f(N)>＝f(1)＝1。那么由于f(N)的存在使原来衰减区间边界上的信号大于1，是边界内部变化系数为1/f(N)<1对应的角度成为衰减区间，这样衰减区间会进一步减少。
下面结合实例，对本发明方法与干扰抵消方法的效果进行比较。
利用MATLAB仿真验证经过阵元组合的JJM算法在抑制宽带强干扰方面的有效性并验证其在减少信号衰减方面的先进性。仿真中采用64元均匀线列阵，阵元间距为2.5m；干扰和目标信号均为宽带随机信号，频率范围为100～300Hz，信干比为-20dB；背景噪声为带限高斯噪声，频率范围为100～300Hz；采样频率为5000Hz；水中声速取为1500m/s；阵元组合中取相隔80m的阵元(即每32个阵元取1个阵元)组成1个子阵，该阵列共分为32个子阵，每个子阵含有2个阵元。
分别给出宽带强干扰和弱信号在方位角较近时干扰阻塞算法与基于子阵划分的波束形成后干扰阻塞方法的强干扰抑制结果。仿真中信噪比取为-15dB，干扰和信号的入射角度分别为20度和30度。对阵列接收信号直接进行常规波束形成的结果如图5所示。利用干扰阻塞算法抵消强干扰后波束形成结果如图6所示，利用基于阵元组合的干扰阻塞算法进行强干扰抵消后波束形成结果如图7所示。图中取100s数据，每1S做一次强干扰抑制处理。
通过图5可见由于强干扰的存在使弱目标无法被检测到。通过图6可知利用干扰阻塞算法抵消强干扰后，由于干扰阻塞算法衰减区间较大且在衰减区间内会对信号造成严重衰减，所以抵消后信号仍未在方位历程图上显示出来；通过图7可知基于子阵划分的波束形成后干扰阻塞方法通过阵元组合的方法减小了信号衰减，使弱目标在方位历程图上显现出来。通过本次仿真可见，基于阵元组合的干扰阻塞算法较干扰阻塞算法的信号衰减小，当弱信号和强干扰相距较近时有利于干扰抵消后信号的进一步检测。
通过上述仿真结果可以看出，在相同的条件下，当目标和干扰在方位上相距较近时，基于子阵划分的波束形成后干扰阻塞方法较干扰阻塞算法有较小的衰减范围，在消去强干扰后可以对目标进行进一步检测。
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。
一种基于子阵划分的波束形成后干扰阻塞方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一：获取拖曳线列阵中各个阵元的接收信号，将各阵元接收信号记为xi(n),1≤i≤M(M为阵元数)；
步骤二：(谁)对步骤1)中的阵列进行子阵划分，子阵划分规则是每P个(即每隔P-1个)阵元取1个阵元组成子阵，且每个阵元仅能被划分一次，划后第i个子阵的第j个阵元表示为xij；
步骤三：(谁)对步骤2)中的各个子阵在强干扰方向(是已知吗？)波束形成，各个子阵的波束输出为y1,…,yP；
步骤四：(谁)对步骤3)中P个子阵的波束输出结果y1,…,yP，利用强干扰的方位先验知识构造干扰阻塞矩阵，进行强干扰抵消，干扰抵消后的结果为y′1,…,y′P-1；
步骤五：对步骤4)中干扰抵消后的结果y′1,…,y′P-1，进行波束形成得到目标信号的空间谱。
在所述步骤二与4)中，步骤2)中对阵列每P个(即每隔P-1个)阵元取1个阵元组成子阵；步骤4)中对各子阵波束形成后的结果利用干扰阻塞算法进行干扰抵消，在子阵波束输出结果上进行强干扰抵消较传统干扰阻塞算法的抵消范围小，利于信号的进一步检测与估计。

Claims (2)

1.一种基于子阵划分的波束形成后干扰阻塞方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一：获取拖曳线列阵中各个阵元的接收信号，将各阵元接收信号记为xi(n),1≤i≤M，M为阵元数；
步骤二：对步骤步骤一中的阵列进行子阵划分，子阵划分规则是每P个阵元取1个阵元组成子阵，即每隔P-1个取一个，且每个阵元仅能被划分一次，划后第i个子阵的第j个阵元表示为xij；
步骤三：对步骤二中的各个子阵在强干扰方向进行波束形成，各个子阵的波束输出为y1,…,yP；
步骤四：对步骤三中P个子阵的波束输出结果y1,…,yP，利用强干扰的方位先验知识构造干扰阻塞矩阵，进行强干扰抵消，干扰抵消后的结果为y′1,…,y'P-1；
步骤五：对步骤四中干扰抵消后的结果y′1,…,y'P-1，进行波束形成，得到目标信号的空间谱。
2.根据权利要求1所述的一种基于子阵划分的波束形成后干扰阻塞方法，其特征在于，在所述步骤二与4)中，步骤2)中对阵列每P个(即每隔P-1个)阵元取1个阵元组成子阵；步骤4)中对各子阵波束形成后的结果利用干扰阻塞算法进行干扰抵消，在子阵波束输出结果上进行强干扰抵消较传统干扰阻塞算法的抵消范围小，利于信号的进一步检测与估计。
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