CN108872970A - 适用于一般等间距稀疏阵列单频信号波束形成的栅瓣判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及适用于一般等间距稀疏阵列单频信号波束形成的栅瓣判别方法，包括：对阵列信号进行频域波束形成处理，得到目标信号方位集；利用方位集进行栅瓣角预测，对方位集中的所有元素进行主栅瓣角配对组合，构成主栅瓣集和无栅瓣集；将船体转动一定的角度，再次对阵列信号进行频域波束形成处理，得到新的强干扰目标信号的方位集；利用方位集进行栅瓣角预测，对方位集中的所有元素进行主栅瓣角配对组合，构成主栅瓣集和无栅瓣集；利用主栅瓣集和进行栅瓣的判别，利用无栅瓣集和进行其余目标的判别。本发明依据等间距线列阵不同方向波束形成主栅瓣角差值不同的原理，采用船体机动的方法进行栅瓣的判别，不需要对阵列形式进行设计，适用于一般等间距稀疏阵列的情况。

Description

适用于一般等间距稀疏阵列单频信号波束形成的栅瓣判别 方法

技术领域

本发明涉及被动声纳目标方位估计的研究，更为具体的讲，本发明针对布阵间距小于信号频率值对应的半波长的情况，提出了一种基于船体机动的稀疏阵列单频信号波束形成的栅瓣判别方法，应用于信号处理领域。

背景技术

稀疏阵列是指在等间距线阵进行布阵时阵元间距不小于工作频段范围内最大频率值对应的半波长的阵列。阵列稀疏会使得在0～180°的测量区域范围内的波束形成结果出现栅瓣（副极大），对于单频信号来说，所形成的栅瓣强度与主瓣相同，会使波束形成测向结果出现方位模糊。

阵列信号处理中，阵列稀疏会使得波束形成出现栅瓣。宽带信号进行波束形成时，不同频点主瓣出现的位置相同、而栅瓣出现的位置不同，因而对栅瓣具有一定的抑制作用、对阵列稀疏具有一定的容忍度。但是对于单频信号而言，所形成的栅瓣强度与主瓣相同，会使波束形成测向结果出现方位模糊。

经过文献检索发现，有下列文献通过选取不同阵元构成特定阵型来抑制栅瓣的影响：

《微计算机应用》，2011，32(5):19-26页，“组合阵栅瓣抑制方法研究”，作者：靳晓宁、王磊、孙长瑜，（以下简称文献1）。

《大众科技》，2009,12:32-33页，“线形阵列栅瓣的抑制”，作者：潘敏，（以下简称文献2）。

文献1给出的是一种在不等间距组合阵条件下的栅瓣抑制方法，该组合阵是将多条不同间距的均匀线列阵按照一定顺序组合而成的，不适用于一般等间距稀疏阵列的情况，而且针对不同的信号频率，需要进行不同的组合阵设计及阵元的加权方式设计。

文献2针对如何通过适当选取稀疏阵列的阵元位置来最大限度地抑制栅瓣，设计了一种由不同周期的发射稀疏阵列和接收稀疏阵列组成的稀疏非周期阵列，该方法针对不同的信号频率需要进行不同的阵型设计，也不适用于一般等间距稀疏阵列的情况。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，为了解决稀疏阵列单频信号波束形成的栅瓣影响问题，本发明提供了一种适用于等间距稀疏阵列的单频信号波束形成的栅瓣判决方法，该方法依据等间距线列阵不同方向波束形成主栅瓣角差值不同的原理，采用船体机动的方法进行栅瓣的判别，并且该方法不需要对阵列形式进行设计，适用于一般等间距稀疏阵列的情况。

本发明提出的适用于一般等间距稀疏阵列单频信号波束形成的栅瓣判别方法的特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1：对稀疏阵列多个阵元接收到的阵列信号在工作频段范围内进行频域波束形成处理，得到强干扰目标信号的方位集；

步骤2：利用步骤1得到的强干扰目标信号的方位集进行栅瓣角预测，对所述方位集中的所有元素进行主栅瓣角配对组合，构成主栅瓣集和无栅瓣集；

步骤3：进行船体机动，将船体转动一定的角度，再次对稀疏阵列多个阵元接收到的阵列信号在工作频段范围内进行频域波束形成处理，得到新的强干扰目标信号的方位集；

步骤4：利用步骤3得到的强干扰目标信号的方位集进行栅瓣角预测，对所述方位集中的所有元素进行主栅瓣角配对组合，构成主栅瓣集和无栅瓣集；

步骤5：利用上述步骤2、步骤4得到的主栅瓣集和进行栅瓣的判别，利用无栅瓣集和进行其余目标的判别。

前述步骤1进一步的特征在于：建立均匀线列阵模型，对基阵阵元接收到的阵列信号进行频域波束形成处理，将各频点的空间谱输出累加得到波束输出空间谱，遍历所有方位角对空间谱进行极大值选取，该极大值对应的角度即为强干扰目标信号方位，得到方位集。

前述步骤2进一步的特征在于：若主瓣方位为，只选取可视区域内的栅瓣角，即栅瓣角满足的条件；根据计算得到的栅瓣角与方位集中的其它元素进行比较，若其栅瓣角出现在方位集中，则将其作为主栅瓣角组合对，存入主栅瓣集中，其余的元素存入无栅瓣集中。

前述步骤5进一步的特征在于：对集合和、和中的元素一一进行差值处理，从而判断出元素对中的栅瓣或者目标，集合中第个元素为 ，集合中的第个元素为，集合中的第个元素为，集合中的第个元素为；

（a）和进行差值处理：、，对和机动角度进行比较，若或，则集合中角度为目标方位，角度即为相应的栅瓣角度；

（b）和进行差值处理：、，对和机动角度进行比较，若或，则集合中角度为目标方位，角度即为相应的栅瓣角度；

若（a）、（b）都不成立，则不存在目标,也不存在栅瓣；若（a）、（b）其中一个成立，则存在一个目标,则另外一个即为相应的栅瓣；若（1）、（2）都成立，则存在两个目标，不存在栅瓣。

（c）和进行差值处理：，对和机动角度进行比较，若，则集合中角度为目标方位，且不存在相对应的栅瓣。

通过上述本发明的方法步骤，即可判断一般等间距稀疏阵列单频信号波束形成过程是否存在栅瓣，如果存在栅瓣则能将其识别出来从而得到目标的真实方位信息。

相比现有技术对稀疏阵列波束形成出现栅瓣的解决方法，本发明具有如下优点：

（1）由于宽带信号具有较好的抗稀疏性能，之前的栅瓣解决方法大多针对于宽带信号进行分析解决，通过一系列信号处理方法达到栅瓣抑制的效果；本发明主要针对稀疏阵列单频信号波束形式的栅瓣问题进行分析处理。相比宽带信号本身在栅瓣抑制方面所具有的优势，单频信号的栅瓣抑制则较难处理。

（2）前述文献1公开的方法，针对不同的信号频率，需要进行不同的组合阵设计及阵元的加权方式设计；而前述文献2公开的方法，针对不同的信号频率也需要进行不同的阵型设计，不适用于一般等间距稀疏布阵。而本发明不需要针对不同的频率进行特定的阵型设计，也不需要进行特殊的信号处理，以固定的阵型即可以对不同的信号频率进行处理，通过船体机动的方法即可进行栅瓣的判别，适用于一般等间距稀疏线列阵，应用成本更低，因此容易得到更广泛的应用。

附图说明

图1 是本发明实施例均匀线列阵模型示意图；

图2 是本发明实施例频域波束形成流程框图；

图3是本发明实施例栅瓣判别方法流程框图；

图4是单目标频域常规波束形成空间谱；

图5 是船体机动后单目标频域常规波束形成空间谱；

图6 是多目标频域常规波束形成空间谱（情况1）；

图7是船体机动后多目标频域常规波束形成空间谱（情况1）；

图8是多目标频域常规波束形成空间谱（情况2）；

图9是船体机动后多目标频域常规波束形成空间谱（情况2）。

具体实施方式

为使公众进一步了解本发明所采用之技术、手段及其有益效果，特举实施例并配合附图对本发明提供的适用于一般等间距稀疏阵列单频信号波束形成的栅瓣判别方法进行详细说明如下，相信当可由之得以深入而具体的了解。本发明方法涉及到以下的理论基础：

1、阵列信号模型

以1号阵元为坐标原点建立如图1所示的元均匀线列阵模型，阵元编号从左到右依次为1，2，，，表示信号源的入射角（与阵列方向的夹角）。假设阵元间隔为，则第个阵元的坐标为。

由于阵列各阵元的位置差异，各个阵元接收到同一平面波的时间也有所不同，假设M元均匀线列阵，接收来自不同方向的个信号源所产生的信号，第m个阵元信号可表示为

（1）

其中，是第个信号源，是第个信号源的方位角，是第个信号源在第个阵元上相对于参考点的时间延迟，是第个阵元的噪声。对于单频信号，式（1）可以改写为式（2），即用相移来代替时延，

（2）

令、、、，式（2）可以表示成如下矩阵形式

（3）

其中：X表示阵元信号矩阵，N表示阵元噪声矩阵，S表示信号源矩阵，A表示阵列流形矩阵。

阵列信号在频域可以建立和时域相似的模型，对式（2）的信号进行点的FFT变换，那么第个阵元的第个频点的信号可表示为：

（4）

显然各频点下，接收信号的相位差除了与时延有关，还与其所在频点有关。

令，其中，，。式（4）可以表示成如下矩阵形式：

（5）

其中：表示第个频点，表示阵元信号矩阵，表示阵元噪声矩阵，表示信号源矩阵，表示阵列流形矩阵。

2、栅瓣产生机理

阵元个数为，阵元间距为的均匀线列阵的正侧向波束方向图为：

（6）

在（）空间的波束方向图可以写成：

（7）

波束方向图仅定义在区域（）上，称为可视区域。

式（7）分子、分母均为零的时候，即时取得极大值，其中λ表示信号的波长。当时为主极大值，即主瓣；其余位置为副极大值，出现和主瓣一样高的波瓣，即“栅瓣”，栅瓣出现的间隔为。

波束主瓣方向在正侧向时，当阵列的间距大于时，栅瓣的峰值出现在可视区域以内；波束主瓣方向在范围内变化时，当阵列的间隔大于时，在可视区域内就会出现栅瓣，此时栅瓣出现的间隔为

（8）

3、频域波束形成

频域波束形成的具体处理过程如图2所示，首先需要对各阵元的时域信号进行离散傅里叶变换（DFT），由时域离散信号转换成频域离散信号，然后对信号工作频段范围内的各个频点分别进行常规波束形成，即根据阵元间的时延补偿得到频域补偿数据，对做完DFT变换的频域阵元域各个频点数据进行补偿，最后将频域阵元域补偿后的相应频点数据加权求和，即可得到频域波束输出，从而得到波束形成输出的空间谱。

第号阵元上的信号序列可表示为，对各阵元的信号序列进行点的DFT变换，一般令（为整数）,使用FFT变换对DFT进行实现，第号阵元信号序列的点DFT变换表示为

（9）

频域的范围对应个数据，相邻两点的间隔为，第个频点的时域角频率可表示为，（），则第号阵元的第个频点信号相对于参考点的相位差为：

（10）

对第号阵元的第个频点信号采用式（10）的方式进行补偿，得到补偿后的信号为

（11）

将补偿后的各阵元相同频点的信号加权平均，便可得到频域波束输出，从而得到波束形成输出的空间谱。

（12）

（13）

下面结合图3方法流程图对本发明做更详细地描述：

步骤1：按照图1所示建立均匀线列阵模型，对基阵阵元接收到的阵列信号进行频域波束形成处理，将各频点的空间谱输出累加得到波束输出空间谱，对空间谱进行极大值选取，极大值对应的角度即为强干扰目标信号方位，记为方位集。

步骤2：利用步骤1得到的强干扰目标信号的方位集进行栅瓣角预测，对于方位集中的所有元素，在假定其为主瓣方位的情况下，进行相应栅瓣角的计算。

若主瓣方位为，则栅瓣角的位置为。根据的取值，栅瓣角存在无数多个，只选取可视区域内的栅瓣角，即栅瓣角满足的条件。

然后将计算得到的栅瓣角与方位集中的其它元素进行比较，若其栅瓣角出现在方位集中，则将其作为主栅瓣角组合对，存入主栅瓣集中，其余的元素存入无栅瓣集中。

步骤3：对船体机动处理，转动一定的角度，对基阵阵元接收到的阵列信号再次进行频域波束形成处理，将各频点的空间谱输出累加得到波束输出空间谱，对空间谱进行极大值选取，极大值对应的角度即为强干扰目标信号方位，记为方位集。

步骤4：利用步骤3得到的强干扰目标信号的方位集进行栅瓣角预测，具体实施方式和步骤2相同，对方位集所有元素进行主栅瓣角配对组合，构成主栅瓣集，其余的元素存入无栅瓣集中；

步骤5：利用步骤2、4得到的主栅瓣集和进行栅瓣的判别，利用无栅瓣集和进行其余目标的判别。对集合和、和中的元素一一进行差值处理，从而判断出元素对中的栅瓣或者目标。集合中第个元素为 ，集合中的第个元素为，集合中的第个元素为，集合中的第个元素为。

（a）和进行差值处理：、，对和机动角度进行比较。若或，则集合中角度为目标方位，角度即为相应的栅瓣角度。

（b）和进行差值处理：、，对和机动角度进行比较。若或，则集合中角度为目标方位，角度即为相应的栅瓣角度。

若（a）、（b）都不成立，则不存在目标,也不存在栅瓣；若（a）、（b）其中一个成立，则存在一个目标,则另外一个即为相应的栅瓣；若（1）、（2）都成立，则存在两个目标，不存在栅瓣。

（c）和进行差值处理：，对和机动角度进行比较。若，则集合中角度为目标方位，且不存在相对应的栅瓣。

接下来进一步以仿真实验进行说明：

基阵采用32元均匀线列阵，阵元间距（10kHz半波长布阵），工作频段为10kHz～20kHz；阵元间距对于10kHz以上的频率来说即为稀疏阵列，因此单频信号频域常规波束形成输出的空间谱便会出现栅瓣干扰，由于主栅瓣强度相同，无法进行栅瓣的判别。

图4、图5是单目标情况下单频信号在船体机动前后频域常规波束形成空间谱对比图。信号频率、方位，信噪比为0dB；FFT频率分辨率为43.94Hz；船体机动角度。由图4可以看出，空间谱图出现两个极大值，分别对应角度45°和114°。通过栅瓣角度预测可知，图4中出现的两个角度即为一组主栅瓣组合。由图5可以看出，空间谱图中仍然出现两个极大值，分别对应角度75°和148.5°。通过栅瓣角度预测可知，图5中出现的两个角度也为一组主栅瓣组合。对图4和图5出现的主栅瓣对进行比较分析，75°角和45°角的差值为30°，与机动角度相同；148.5°角和114°角的差值为34.5°，与机动角度不同，由此可以判别，45°对应的为目标，114°为其相应的栅瓣，判别结果与试验假设条件一致。

图6、图7是多目标情况下单频信号在船体机动前后频域常规波束形成空间谱对比图。信号1频率、方位，信号2频率、方位，信噪比为0dB；FFT频率分辨率为43.94Hz；船体机动角度。由图6可以看出，空间谱图出现三个极大值，分别对应角度为45°、80°和114°。通过栅瓣角度预测可知，图4中出现的角度45°和114°即为一组主栅瓣组合，角度80°不存在相应的栅瓣角。由图7可以看出，空间谱图中仍然出现三个极大值，分别对应角度75°、110°和148.5°。通过栅瓣角度预测可知，图7中出现的角度75°和148.5°也为一组主栅瓣组合。对图6和图7出现的主栅瓣对进行比较分析，75°角和45°角的差值为30°，与机动角度相同；148.5°角和114°角的差值为34.5°，与机动角度不同，由此可以判别，45°对应的为目标，114°为其相应的栅瓣；对图6和图7出现的其余极大值角度进行比较分析，110°角和80°角的差值为30°，与机动角度相同，因此可以判别80°角对应的为目标，且无栅瓣干扰，判别结果与试验假设条件一致。

图8、图9是多目标情况下单频信号在船体机动前后频域常规波束形成空间谱对比图。信号1频率、方位，信号2频率、方位，信噪比为0dB；FFT频率分辨率为43.94Hz；船体机动角度。由图8可以看出，空间谱图出现四个极大值，分别对应角度15°、35°、98.5°和121°。通过栅瓣角度预测可知，图8中出现的角度15°和98.5°、35°和121°为两组主栅瓣组合。由图9可以看出，空间谱图中仍然出现四个极大值，分别对应角度40°、60°、110°和146.5°。通过栅瓣角度预测可知，图9中出现的角度40°和110°、60°和146.5°也为两组主栅瓣组合。对图8和图9出现的主栅瓣对进行比较分析，40°角和15°角的差值为25°，与机动角度相同；110°角和98.5°角的差值为11.5°，与机动角度不同，由此可以判别，15°对应的为目标，98.5°为其相应的栅瓣；60°角和35°角的差值为25°，与机动角度相同；146.5°角和121°角的差值为25.5°，与机动角度不同，由此可以判别，35°对应的为目标，121°为其相应的栅瓣，判别结果与试验假设条件一致。

Claims (4)

1.一种适用于一般等间距稀疏阵列单频信号波束形成的栅瓣判别方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1：对稀疏阵列多个阵元接收到的阵列信号在工作频段范围内进行频域波束形成处理，得到强干扰目标信号的方位集；

步骤2：利用步骤1得到的强干扰目标信号的方位集进行栅瓣角预测，对所述方位集中的所有元素进行主栅瓣角配对组合，构成主栅瓣集和无栅瓣集；

步骤3：进行船体机动，将船体转动一定的角度，再次对稀疏阵列多个阵元接收到的阵列信号在工作频段范围内进行频域波束形成处理，得到新的强干扰目标信号的方位集；

步骤4：利用步骤3得到的强干扰目标信号的方位集进行栅瓣角预测，对所述方位集中的所有元素进行主栅瓣角配对组合，构成主栅瓣集和无栅瓣集；

步骤5：利用上述步骤2、步骤4得到的主栅瓣集和进行栅瓣的判别，利用无栅瓣集和进行其余目标的判别。

2.根据权利要求1所述的适用于一般等间距稀疏阵列单频信号波束形成的栅瓣判别方法，前述步骤1进一步的特征在于：建立均匀线列阵模型，对基阵阵元接收到的阵列信号进行频域波束形成处理，将各频点的空间谱输出累加得到波束输出空间谱，遍历所有方位角对空间谱进行极大值选取，该极大值对应的角度即为强干扰目标信号方位，得到方位集。

3.根据权利要求1所述的适用于一般等间距稀疏阵列单频信号波束形成的栅瓣判别方法，前述步骤2进一步的特征在于：若主瓣方位为，只选取可视区域内的栅瓣角，即栅瓣角满足的条件；根据计算得到的栅瓣角与方位集中的其它元素进行比较，若其栅瓣角出现在方位集中，则将其作为主栅瓣角组合对，存入主栅瓣集中，其余的元素存入无栅瓣集中。

4.根据权利要求1所述的适用于一般等间距稀疏阵列单频信号波束形成的栅瓣判别方法，前述步骤5进一步的特征在于：对集合和、和中的元素一一进行差值处理，从而判断出元素对中的栅瓣或者目标，集合中第个元素为 ，集合中的第个元素为，集合中的第个元素为，集合中的第个元素为；

（a）和进行差值处理：、，对和机动角度进行比较，若或，则集合中角度为目标方位，角度即为相应的栅瓣角度；

（b）和进行差值处理：、，对和机动角度进行比较，若或，则集合中角度为目标方位，角度即为相应的栅瓣角度；

若（a）、（b）都不成立，则不存在目标,也不存在栅瓣；若（a）、（b）其中一个成立，则存在一个目标,则另外一个即为相应的栅瓣；若（1）、（2）都成立，则存在两个目标，不存在栅瓣；

（c）和进行差值处理：，对和机动角度进行比较，若，则集合中角度为目标方位，且不存在相对应的栅瓣。