CN107255809A - 一种基于宽带聚焦矩阵的阻塞阵波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于宽带聚焦矩阵的阻塞阵波束形成方法，主要包括如下步骤：信号宽带等分，获得宽带频域输出；以干扰方向为参考，对频域快拍进行第一次聚焦变换；根据聚焦频率生成的阻塞矩阵，进行阻塞，去除干扰；生成二次聚焦矩阵，对阻塞后的数据再次进行宽带聚焦处理；进行常规波束形成，得到目标的波达角。本发明通过第一次聚焦变换，简化了常规宽带阻塞阵需要在每个子带分别进行阻塞这一步骤；推导得到阻塞后的信号在合成方向的标准宽带入射矢量形式，通过二次聚焦变换简化了在每个子带分别进行波束形成的步骤，在不损害宽带阻塞阵性能的前提下，简化了处理流程，有效地提高了运算速度。

Description

一种基于宽带聚焦矩阵的阻塞阵波束形成方法

技术领域

本发明涉及的是一种声纳信号处理方法，具体地说是宽带波束形成方法。

背景技术

阵元接收的信号通过波束形成处理后能够形成基阵接收系统的方向性；能够滤除环境噪声，提高信噪比；可以进行空域滤波，抑制空间干扰；进行多目标分辨，提供目标方位估计；可以为目标定位或距离、深度估计创造条件；以及为目标识别提供信息。而宽带信号具有更充分的目标信息，使其在目标检测、参量估计、目标特征提取等方面具有更强的优势，因此关于宽带信号的波束形成算法就具有更大的研究价值。

自适应波束形成在实际中得到广泛应用，特别是在雷达抗干扰方面。相关研究已有大量文献，相当一部分方法是利用采样协方差矩阵求逆，当协方差矩阵中含有期望信号时，则不但对消掉了干扰，期望信号也被抑制。而且干扰可能从主瓣进入，当存在主瓣干扰时，常规自适应波束形成便暴露出两个缺陷：一是旁瓣电平升高，二是主瓣严重变形，这都严重制约了自适应波束形成在实际中的应用。解决主瓣波束畸变的方法有对角加载，但对角加载量难以控制，计算量很大。S.J.Yu用阻塞矩阵方法克服估计协方差矩阵时信号混入问题，存在主瓣干扰时能保证主波束无畸变。上述方法都是先估计出数据协方差矩阵，再利用特征分解或其它方法进行处理。但当同时存在一个或多个主瓣干扰并且采样信号中混入期望信号时，上述方法性能通常不理想，会在干扰方向及期望信号方向形成零点，对干扰抑制的同时也会抑制掉期望信号。

发明内容

本发明的目的在于提供能解决干扰回波位于主瓣内时，常规干扰抑制技术引起的主波束畸变，旁瓣升高，SINR下降等问题的一种基于宽带聚焦矩阵的阻塞阵波束形成方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于宽带聚焦矩阵的阻塞阵波束形成方法，其特征是：

(1)将信号带宽等分为J个子带，对接收信号做傅里叶变换，得到宽带频域快拍X，X＝[X₁,X₂,...,X_j,...X_J]，其中第j个子带频域输出可表示为 X_j＝a_j(θ_s)S_sj+a_j(θ_i)S_ij+W_j，其中，a_j(θ_s)为信号导向矢量；a_j(θ_i)为干扰导向矢量，S_sj为信号频域输出，S_ij为干扰频域输出，W_j为第j个子带的噪声频域输出；

(2)以干扰方向作为固定方向，以信号中心频率作为聚焦频率，生成聚焦矩阵T_B，对频域快拍进行第一次聚焦变换；

(3)根据聚焦频率生成阻塞矩阵B，对第一次聚焦变换后的频域快拍数据进行阻塞，得到去除干扰的频域快拍数据X_B；

(4)将频域快拍数据X_B中的相移成分a_{0 array}(θ_i)消除，并整理得到以合成方向为主的频域快拍数据X′_B；

(5)生成二次聚焦矩阵对X′_B进行宽带聚焦处理，得到二次聚焦后的矩阵

(6)计算的协方差矩阵，进行常规波束形成，根据合成方向与期望方向θ_s的关系，得到期望目标的波达角θ_s。

本发明还可以包括：

1、所述的聚焦矩阵T_B为N×J维宽带聚焦矩阵， T_B＝[T_B1,T_B2,...,T_Bj…T_BJ]，其中第j个子带聚焦向量T_Bj表示为

式中，下角标0代表聚焦频率，对频域快拍进行第一次聚焦变换 X_T＝X*T_B，式中“*”表示Hadamard积，X_T的维度为N×J。

2、对聚焦后的频域快拍进行阻塞阵阻塞后得到X_B＝BX_T，X_B的维度为 (N-1)×J；阻塞后的频域快拍可以表示为其中是复数标量，对应复包络幅度，f_j为第j个子带的中心频点； S为信号频谱矩阵；a_{0 array}(θ_i)为干扰方向的导向矢量矩阵，共有J列，每一列均是干扰方向θ_i和中心频率f₀对应的(N-1)×1维的入射矢量；a_{J array}(θ_s,θ_i)为干扰导向矢量与信号导向矢量的比值矩阵，维度是(N-1)×J，第(n,j)个元素是第n个阵元，第j个子带，信号方向与干扰方向的比值a_n,j(θ_s)/a_n,j(θ_i)。

3、X′_B的获取方法具体为：

将a_n,j(θ_s)/a_n,j(θ_i)展开，化简导向矢量a_{J array}(θ_s,θ_i)，得到标准宽带信号入射矢量形式

对阻塞后的矩阵X_B进行相移补偿得到

4、的获取方法具体为：

根据二次生成的聚焦矩阵其中第j个子带聚焦向量为对频域快拍数据X′_B进行宽带聚焦处理，得到

5、目标的波达角θ_s的具体估算方法为：

计算的协方差矩阵进行常规波束形成，得到根据进而估算目标的波达角θ_s。

本发明的优势在于：本发明通过第一次聚焦变换，将宽带干扰按干扰方向聚焦在同一频点，减少了宽带阻塞次数；推导得到阻塞后的信号在合成方向的标准宽带入射矢量形式，通过二次聚焦变换简化了在每个子带分别进行波束形成的步骤，在不损害宽带阻塞阵性能的前提下，简化了处理流程，有效地提高了运算速度。

附图说明

图1为多基地声纳远场接收示意图；

图2为本发明的流程图；

图3a为干扰来自2°时的仿真图，图3b为干扰来自5°时的仿真图，图 3c为干扰来自10°时的仿真图，图3d为干扰来自30°时的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-3，本发明提供的一种基于宽带聚焦矩阵的阻塞阵波束形成方法，包括以下步骤：

步骤1、将信号带宽等分为J个子带，对接收信号做傅里叶变换，得到宽带频域快拍X。

步骤2、以干扰方向作为固定方向，以信号中心频率作为聚焦频率，生成聚焦矩阵T_B，对频域快拍进行第一次聚焦变换。

步骤3、根据聚焦频率生成阻塞矩阵B，对第一次聚焦变换后的频域快拍数据进行阻塞，得到去除干扰的频域快拍数据X_B。

步骤4、将频域快拍数据X_B中的相移成分a_{0 array}(θ_i)消除，并整理得到以合成方向为主的频域快拍数据X′_B。

步骤5、生成二次聚焦矩阵对X′_B进行宽带聚焦处理，得到二次聚焦后的矩阵

步骤6、计算的协方差矩阵，进行常规波束形成，根据合成方向与期望方向θ_s的关系，即可得到期望目标的波达角θ_s。

其中，步骤1中，接收站的宽带频域输出记为X＝[X₁,X₂,...,X_j,...X_J]，式中，第j个子带频域输出可表示为X_j＝a_j(θ_s)S_{s j}+a_j(θ_i)S_{i j}+W_j。

其中，步骤2中，宽带聚焦矩阵(N×J维)为T_B＝[T_B1,T_B2,...,T_Bj...T_BJ]，式中，第j个子带聚焦向量T_Bj表示为下角标0表示聚焦频率。

其中，步骤2中，选取干扰方向θ_i作为固定方向，第一次聚焦变换后为 X_T＝X*T_B，式中，“*”表示Hadamard积，X_T的维度为N×J。

其中，步骤3中，聚焦后的频域快拍进行阻塞阵阻塞X_B＝BX_T，式中，X_B的维度为(N-1)×J，相比X_T，X_B少了一个阵列维度。

其中，步骤3中，整合，阻塞后的频域快拍为

式中，是复数标量，对应复包络幅度，S为信号频谱矩阵；a_{0 array}(θ_i) 为干扰方向的导向矢量矩阵，共有J列，每一列均是干扰方向θ_i和中心频率f₀对应的(N-1)×1维的入射矢量；a_{J array}(θ_s,θ_i)为干扰导向矢量与信号导向矢量的比值矩阵，维度是(N-1)×J，第(n,j)个元素是第n个阵元，第j个子带，信号方向与干扰方向的比值a_n,j(θ_s)/a_n,j(θ_i)。

其中，步骤4中，将频域快拍数据X_B相移成分a_{0 array}(θ_i)消除。将导向矢量a_{J array}(θ_s,θ_i)化为标准宽带信号入射矢量形式

其中，步骤4中，X_B经过相移补偿后的形式变为

其中，步骤5中，根据二次生成的聚焦矩阵其中，第j个子带聚焦向量为对频域快拍数据X′_B进行宽带聚焦处理，得到

其中，步骤6中，利用K次快拍数据，获得协方差矩阵

其中，步骤6中，基于聚焦矩阵的阻塞阵波束形成输出为

其中，步骤6中，根据合成方向与θ_s的关系即可得到目标的波达角θ_s。

图2为基于宽带聚焦矩阵的阻塞阵波束形成示意图即本发明的流程图。根据本实施例，探测信号设计与发射具体流程如下：

首先将信号带宽等分为J个子带，并将接收站的宽带频域输出记为

X＝[X₁,X₂,...,X_j,...X_J]

其中第j个子带频域输出可表示为

X_j＝a_j(θ_s)S_{s j}+a_j(θ_i)S_{i j}+W_j

其中，a_j(θ_s)为信号导向矢量；a_j(θ_i)为干扰导向矢量；S_sj为信号频域输出；S_ij为干扰频域输出；W_j为第j个子带的噪声频域输出。

在信号通过阻塞阵前，需要在干扰方向对宽带信号进行第一次聚焦，记第一次宽带聚焦矩阵(N×J维)为

T_B＝[T_B1,T_B2,...T_Bj...,T_BJ]

其中第j个子带聚焦向量T_Bj表示为

下角标0表示聚焦频率，选取中心频率作为聚焦频率。a_N,0(θ_i)为干扰方向在聚焦频率上的导向矢量；a_N,j(θ_i)为干扰方向第j个子带的导向矢量。

以干扰方向θ_i作为固定方向，对频域快拍进行第一次聚焦变换

X_T＝X*T_B

“*”表示Hadamard积，X_T的维度为N×J。对聚焦后的频域快拍进行阻塞阵阻塞

X_B＝BX_T

其中，B为阻塞阵 表示干扰方向的相位差，d为两阵元的间距，λ₀表示聚焦频点的波长。

X_B的维度为(N-1)×J，相比X_T，X_B少了一个阵列维度，这与窄带阻塞阵一致。

阻塞后的频域快拍可以表示为

其中是复数标量，对应复包络幅度，f_j为第j个子带的中心频点；S为信号频谱矩阵，S_sj为第j个子带的信号频域数据；a_{0 array}(θ_i)为干扰方向的导向矢量矩阵，共有J列，每一列均是干扰方向θ_i和中心频率f₀对应的(N-1)×1维的入射矢量；a_{J array}(θ_s,θ_i)为干扰导向矢量与信号导向矢量的比值矩阵，维度是 (N-1)×J，第(n,j)个元素是第n个阵元，第j个子带，信号方向与干扰方向的比值a_n,j(θ_s)/a_n,j(θ_i)。

X_B中a_{0 array}(θ_i)已知，可以补偿移去，则导向矢量变为a_{J array}(θ_s,θ_i)。 a_n,j(θ_s)/a_n,j(θ_i)展开有

a_{J array}(θ_s,θ_i)化简为

这是标准宽带信号入射矢量形式。记

是X_B经过相移补偿后的形式，对X′_B进行二次宽带聚焦，二次宽带聚焦矩阵为

其中第j个子带聚焦向量表示为

将二次聚焦后的矩阵记为

利用K次快拍数据，获得协方差矩阵

基于聚焦矩阵的阻塞阵波束形成输出为

根据与θ_s的关系，即可得到目标的波达角θ_s。

下面考察基于宽带聚焦的阻塞阵波束形成性能。发射信号为宽带噪声信号，中心频率为8kHz，带宽为2kHz，脉宽为100ms。期望信号与干扰信号波形相同，仅有幅度区别。接收阵为16元均匀线阵，阵元间距取半波长(对应中心频率)。以100Hz宽度将信号带宽划分各子带。频域快拍数为36次。干扰分别来自2°、5°、10°、30°方向，信噪比SNR为10dB，干噪比INR为-40dB。仿真结果如图3所示。

可见，基于宽带聚焦的阻塞阵能有效抑制干扰，实现期望信号的方位的正确估计，并且干扰与期望信号距离越远，旁瓣越低。

Claims (6)

1.一种基于宽带聚焦矩阵的阻塞阵波束形成方法，其特征是：

(1)将信号带宽等分为J个子带，对接收信号做傅里叶变换，得到宽带频域快拍X，X＝[X₁,X₂,...,X_j,…X_J]，其中第j个子带频域输出可表示为X_j＝a_j(θ_s)S_sj+a_j(θ_i)S_ij+W_j，其中，a_j(θ_s)为信号导向矢量；a_j(θ_i)为干扰导向矢量，S_sj为信号频域输出，S_ij为干扰频域输出，W_j为第j个子带的噪声频域输出；

(2)以干扰方向作为固定方向，以信号中心频率作为聚焦频率，生成聚焦矩阵T_B，对频域快拍进行第一次聚焦变换；

(3)根据聚焦频率生成阻塞矩阵B，对第一次聚焦变换后的频域快拍数据进行阻塞，得到去除干扰的频域快拍数据X_B；

(4)将频域快拍数据X_B中的相移成分a_0array(θ_i)消除，并整理得到以合成方向为主的频域快拍数据X′_B；

(5)生成二次聚焦矩阵对X′_B进行宽带聚焦处理，得到二次聚焦后的矩阵

(6)计算的协方差矩阵，进行常规波束形成，根据合成方向与期望方向θ_s的关系，得到期望目标的波达角θ_s。

2.根据权利要求1所述的一种基于宽带聚焦矩阵的阻塞阵波束形成方法，其特征是：所述的聚焦矩阵T_B为N×J维宽带聚焦矩阵，T_B＝[T_B1,T_B2,…,T_Bj…T_BJ]，其中第j个子带聚焦向量T_Bj表示为

<mrow> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>B</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mo>,</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mi>N</mi> <mo>,</mo> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mi>N</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mi>T</mi> </msup> </mrow>

式中，下角标0代表聚焦频率，对频域快拍进行第一次聚焦变换X_T＝X*T_B，式中“*”表示Hadamard积，X_T的维度为N×J。

3.根据权利要求2所述的一种基于宽带聚焦矩阵的阻塞阵波束形成方法，其特征是：对聚焦后的频域快拍进行阻塞阵阻塞后得到X_B＝BX_T，X_B的维度为(N-1)×J；阻塞后的频域快拍可以表示为其中是复数标量，对应复包络幅度，fj为第j个子带的中心频点；S为信号频谱矩阵；a_0array(θ_i)为干扰方向的导向矢量矩阵，共有J列，每一列均是干扰方向θ_i和中心频率f₀对应的(N-1)×1维的入射矢量；a_{J array}(θ_s,θ_i)为干扰导向矢量与信号导向矢量的比值矩阵，维度是(N-1)×J，第(n,j)个元素是第n个阵元，第j个子带，信号方向与干扰方向的比值a_n,j(θ_s)/a_n,j(θ_i)。

4.根据权利要求3所述的一种基于宽带聚焦矩阵的阻塞阵波束形成方法，其特征是：X′_B的获取方法具体为：

将a_n,j(θ_s)/a_n,j(θ_i)展开，化简导向矢量a_{J array}(θ_s,θ_i)，得到标准宽带信号入射矢量形式

对阻塞后的矩阵X_B进行相移补偿得到

5.根据权利要求4所述的一种基于宽带聚焦矩阵的阻塞阵波束形成方法，其特征是：的获取方法具体为：

根据二次生成的聚焦矩阵其中第j个子带聚焦向量为对频域快拍数据X′_B进行宽带聚焦处理，得到

6.根据权利要求5所述的一种基于宽带聚焦矩阵的阻塞阵波束形成方法，其特征是：目标的波达角θ_s的具体估算方法为：

计算的协方差矩阵进行常规波束形成，得到根据进而估算目标的波达角θ_s。