CN109116334A - 基于超波束加权的声纳波束形成方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请揭示了一种基于超波束加权的声纳波束形成方法及系统系统，该方法包括：对原始阵元域数据进行采集得到阵列信号，分别对阵列信号中的左子阵信号和右子阵信号进行延时求和，得到左波束和右波束；利用左波束和右波束构建和波束以及差波束；按照预定方式对和波束和差波束进行运算得到超波束；对超波束在时间上进行求和运算，得到空间上的加权系数；将左波束和右波束相加得到全波束；利用加权系数对全波束进行空间加权得到超波束加权的波束。本申请继承了超波束主瓣窄、旁瓣低的优点,并且能在超波束形成的高分辨基础上进一步提高声纳对目标的分辨能力，同时又规避了超波束方法非线性输出无法进行后续匹配滤波、音频侦听以及频谱分析等处理的缺点。
Description
技术领域
本发明属于水声阵列信号处理技术领域，涉及一种基于超波束加权的声纳波束形成方法及系统。
背景技术
波束形成是声纳信号处理的重要组成部分，其实质是通过对各阵元加权进行空域滤波，以达到增强期望信号、抑制干扰的目的。传统的波束形成算法主要分为时域延时波束形成、频域移相波束形成，以及在此基础上能反馈式实时调整加权系数的自适应波束形成。这些传统方法均无法在不增加基阵尺寸的条件下同时满足波束主瓣宽度减少和旁瓣抑制的要求。
超波束是一种高分辨波束形成方法，通过对左右子阵的波束输出构建“和波束”与“差波束”，利用抵消原理，能在阵列尺寸一定的条件下，同时有效地减小波束的主瓣宽度和降低旁瓣高度，从而提高声纳的方位分辨能力。然而这种超波束形成方法在处理过程中采用了非线性求和运算，改变了波束形成输出信号的相位、频率特性，其输出结果只能进行能量检测，而无法进行匹配滤波、音频侦听以及频谱分析等处理，因此工程适用性较差。
发明内容
为了解决相关技术利用构建的和波束以及差波束获取超波束时，因采用非线性求和运算，改变了波束形成输出信号的相位、频率特性，其输出结果只能进行能量检测，而无法进行匹配滤波、音频侦听以及频谱分析等处理，因此工程适用性较差的技术问题，本申请提供了一种基于超波束加权的声纳波束形成方法及系统。具体技术方案如下：
第一方面，提供了一种基于超波束加权的声纳波束形成方法，该方法包括：
对原始阵元域数据进行采集得到阵列信号，分别对阵列信号中的左子阵信号和右子阵信号进行延时求和，得到左波束和右波束；利用左波束和右波束构建和波束以及差波束；按照预定方式对和波束和差波束进行运算得到超波束；对超波束在时间上进行求和运算，得到空间上的加权系数；将左波束和右波束相加得到全波束；利用加权系数对全波束进行空间加权得到超波束加权的波束。
可选的，该阵列信号由N个阵元组成，该阵列信号的第1至N/2个阵元组成左子阵信号，该阵列信号中的第N/2+1至N个阵元组成右子阵信号，垂直于该阵列信号的方向为法线方向，波束指向与法线的夹角为θ，左波束为指向θ方向的左波束RL(θ，t)，右波束为指向θ方向的右波束RR(θ，t)。
可选的，利用左波束和右波束构建和波束以及差波束，包括：
利用RS(θ，t)＝|RL〔θ，t)|+|RR(θ，t)|构建和波束RS(θ，t)；
利用RD(θ，t)＝|RL(θ，t)-RR(θ，t)|构建差波束RD(θ，t)。
可选的，按照预定方式对和波束和差波束进行运算得到超波束，包括：
利用构建超波束RH(θ，t)，其中，n为超波束指数，用于调整输出波束的主瓣宽度。
可选的，对超波束在时间上进行求和运算，得到空间上的加权系数，包括：
利用W(θ)＝∑t RH(θ，t)得到加权系数W(θ)。
可选的，将左波束和右波束相加得到全波束，包括：
利用RC(θ，t)＝RL(θ，t)+RR(θ，t)得到全波束RC(θ，t)。
可选的，利用加权系数对全波束进行空间加权得到超波束加权的波束，包括：
利用RHW(θ，t)＝W(θ)·RC(θ，t)得到超波束加权的波束RHW(θ，t)。
第二方面，提供了一种基于超波束加权的声纳波束形成系统，该系统包括：延时求和模块，被配置为对原始阵元域数据进行采集得到阵列信号，分别对阵列信号中的左子阵信号和右子阵信号进行延时求和，得到左波束和右波束；和波束模块，被配置为利用延时求和模块得到的左波束和右波束构建和波束；差波束模块，被配置为利用延时求和模块得到的左波束和右波束构建差波束；超波束获取模块，被配置为按照预定方式对和波束模块得到的和波束和差波束模块得到的差波束进行运算得到超波束；加权系数获取模块，被配置为对超波束获取模块获取的超波束在时间上进行求和运算，得到空间上的加权系数；全波束获取模块，被配置为将延时求和模块得到的左波束和右波束相加得到全波束；加权波束获取模块，被配置为利用加权系数获取模块获取的加权系数对全波束获取模块获取的全波束进行空间加权，得到超波束加权的波束。
可选的，该阵列信号由N个阵元组成，阵列信号的第1至N/2个阵元组成左子阵信号，阵列信号中的第N/2+1至N个阵元组成右子阵信号，垂直于阵列信号的方向为法线方向，波束指向与法线的夹角为θ，左波束为指向θ方向的左波束，右波束为指向θ方向的右波束。
本发明将常规时域(或频域)波束形成和超波束形式算法进行有机融合，超波束形成结果不作为系统的直接输出结果，而是作为实时反馈式加权系数，对普通时延波束形成进行空间加权，为描述方便，称其为超波束加权波束形成算法(Hyper Weighting BeamForming，HWBF)。该方法继承了超波束主瓣窄、旁瓣低的优点，并且能在超波束形成的高分辨基础上进一步提高声纳对目标的分辨能力，同时又规避了超波束方法非线性输出无法进行后续匹配滤波、音频侦听以及频谱分析等处理的缺点。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是本申请一个实施例中提供的基于超波束加权的声纳波束形成方法的流程图；
图2是本申请一个实施例中提供的原始阵元域数据与左子阵信号以及右子阵信号的关系示意图；
图3是本申请一个实施例中提供的基于超波束加权的声纳波束形成系统的结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的系统和方法的例子。
图1是本申请一个实施例中提供的基于超波束加权的声纳波束形成方法的流程图，该基于超波束加权的声纳波束形成方法包括：
步骤101，对原始阵元域数据进行采集得到阵列信号，分别对阵列信号中的左子阵信号和右子阵信号进行延时求和，得到左波束和右波束；
本申请中将原始阵元域数据对应的阵列信号拆分为两个子阵信号，以均匀布阵的线列阵为例，请参见图2所示，其是本申请一个实施例中提供的原始阵元域数据与左子阵信号以及右子阵信号的关系示意图，考虑各向同性的N个阵元组成的均匀直线阵，阵元间距为d，假设入射信号是远场平面波。以最左边的第一个阵元为参考阵元，垂直于阵列的方向为法线方向，波束指向与法线的夹角为θ。
将原始阵元域数据对应的阵列信号等分成左右两个子阵，假设阵元数是偶数，比如，该阵列信号由N个阵元组成，该阵列信号的第1至N/2个阵元组成左子阵信号，该阵列信号中的第N/2+1至N个阵元组成右子阵信号，垂直于该阵列信号的方向为法线方向，波束指向与法线的夹角为θ。
对左子阵信号进行延时求和的常规波束形成(Common Beam Forming，CBF)得到指向θ方向的左波束RL(θ，t)，类似的，对右子阵信号进行延时求和的常规波束形成得到指向θ方向的右波束RR(θ，t)。
步骤102，利用左波束和右波束构建和波束；
本申请中利用左波束和右波束构建和波束Rs(θ，t)时，可以通过下述公式(1)实现：
RS(θ，t)＝|RL(θ，t)|+|RR(θ，t)| (1)
步骤103，利用左波束和右波束构建差波束；
利用左波束和右波束构建差波束RD(θ，t)时，可以通过下述公式(2)实现：
RD(θ，t)＝|RL(θ，t)-RR(θ，t)| (2)
步骤104，按照预定方式对和波束和差波束进行运算得到超波束；
本申请中利用和波束Rs(θ，t)和差波束RD(θ，t)：按照下述公式(3)进行非线性求和运算得到超波束RH(θ，t)：
其中，n为超波束指数，用于调整输出波束的主瓣宽度。通常，n∈[0.3，1]，并且随着n的减小，波束宽度会急剧减小。
步骤105，对超波束在时间上进行求和运算，得到空间上的加权系数；
本申请中对超波束RH(θ，t)在时间上进行求和运算得到空间上的加权系数W(θ)时，可以通过下述公式(4)实现：
W(θ)＝∑t RH(θ，t) (4)
步骤106，将左波束和右波束相加得到全波束；
本申请中将左波束RL(θ，t)和右波束RR(θ，t)相加得到全波束形成输出RC(θ，t)时，可以通过下述公式(5)实现：
RC(θ，t)＝RL(θ，t)+RR(θ，t) (5)
步骤107，利用加权系数对全波束进行空间加权得到超波束加权的波束。
用加权系数W(θ)对RC(θ，t)进行空间加权就得到HWBF输出RHW(θ，t)时，可以通过下述公式(6)实现：
RHW(θ，t)＝W(θ)·RC(θ，t) (6)
综上所述，本申请提供的基于超波束加权的声纳波束形成方法，通过将常规时域(或频域)波束形成和超波束形式算法进行有机融合，超波束形成结果不作为系统的直接输出结果，而是作为实时反馈式加权系数，对普通时延波束形成进行空间加权，为描述方便，称其为超波束加权波束形成算法。该方法继承了超波束主瓣窄、旁瓣低的优点，并且能在超波束形成的高分辨基础上进一步提高声纳对目标的分辨能力，同时又规避了超波束方法非线性输出无法进行后续匹配滤波、音频侦听以及频谱分析等处理的缺点。
下述为本公开系统实施例，可以用于执行本公开方法实施例。对于本公开系统实施例中未披露的细节，请参照本公开方法实施例。
请参见图3所示，其是本申请一个实施例中提供的基于超波束加权的声纳波束形成系统的结构示意图，该系统包括：延时求和模块301、和波束模块302、差波束模块303、超波束获取模块304、加权系数获取模块305、全波束获取模块306和加权波束获取模块307。
延时求和模块301，被配置为对原始阵元域数据进行采集得到阵列信号，分别对阵列信号中的左子阵信号和右子阵信号进行延时求和，得到左波束和右波束。
和波束模块302，被配置为利用延时求和模块301得到的左波束和右波束构建和波束。
差波束模块303，被配置为利用延时求和模块301得到的左波束和右波束构建差波束。
超波束获取模块304，被配置为按照预定方式对和波束模块302得到的和波束和差波束模块303得到的差波束进行运算得到超波束。
加权系数获取模块305，被配置为对超波束获取模块304获取的超波束在时间上进行求和运算，得到空间上的加权系数。
全波束获取模块306，被配置为将延时求和模块301得到的左波束和右波束相加得到全波束。
加权波束获取模块307，被配置为利用加权系数获取模块305获取的加权系数对全波束获取模块306获取的全波束进行空间加权，得到超波束加权的波束。
可选的，该阵列信号由N个阵元组成，阵列信号的第1至N/2个阵元组成左子阵信号，阵列信号中的第N/2+1至N个阵元组成右子阵信号，垂直于阵列信号的方向为法线方向，波束指向与法线的夹角为θ，左波束为指向θ方向的左波束，右波束为指向θ方向的右波束。
综上所述，本申请提供的基于超波束加权的声纳波束形成系统，将常规时域(或频域)波束形成和超波束形式算法进行有机融合，超波束形成结果不作为系统的直接输出结果，而是作为实时反馈式加权系数，对普通时延波束形成进行空间加权，为描述方便，称其为超波束加权波束形成算法；该系统继承了超波束主瓣窄、旁瓣低的优点，并且能在超波束形成的高分辨基础上进一步提高声纳对目标的分辨能力，同时又规避了超波束方法非线性输出无法进行后续匹配滤波、音频侦听以及频谱分析等处理的缺点。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (9)
1.一种基于超波束加权的声纳波束形成方法，其特征在于，所述方法包括：
对原始阵元域数据进行采集得到阵列信号，分别对所述阵列信号中的左子阵信号和右子阵信号进行延时求和，得到左波束和右波束；
利用所述左波束和所述右波束构建和波束以及差波束；
按照预定方式对所述和波束和所述差波束进行运算得到超波束；
对所述超波束在时间上进行求和运算，得到空间上的加权系数；
将所述左波束和所述右波束相加得到全波束；
利用所述加权系数对所述全波束进行空间加权得到超波束加权的波束。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阵列信号由N个阵元组成，所述阵列信号的第1至N/2个阵元组成所述左子阵信号，所述阵列信号中的第N/2+1至N个阵元组成所述右子阵信号，垂直于所述阵列信号的方向为法线方向，波束指向与所述法线的夹角为θ，所述左波束为指向θ方向的左波束RL(θ，t)，所述右波束为指向θ方向的右波束RR(θ，t)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用所述左波束和所述右波束构建和波束以及差波束，包括：
利用RS(θ，t)＝|RL(θ，t)|+|RR(θ，t)|构建和波束RS(θ，t)；
利用RD(θ，t)＝|RL(θ，t)-RR(θ，t)|构建差波束RD(θ，t)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述按照预定方式对所述和波束和所述差波束进行运算得到超波束，包括：
利用构建超波束RH(θ，t)，其中，n为超波束指数，用于调整输出波束的主瓣宽度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对所述超波束在时间上进行求和运算，得到空间上的加权系数，包括：
利用W(θ)＝∑tRH(θ，t)得到加权系数W(θ)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将所述左波束和所述右波束相加得到全波束，包括：
利用RC(θ，t)＝RL(θ，t)+RR(θ，t)得到全波束RC(θ，t)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述利用所述加权系数对所述全波束进行空间加权得到超波束加权的波束，包括：
利用RHW(θ，t)＝W(θ)·RC(θ，t)得到超波束加权的波束RHW(θ，t)。
8.一种基于超波束加权的声纳波束形成系统，其特征在于，所述系统包括：
延时求和模块，被配置为对原始阵元域数据进行采集得到阵列信号，分别对所述阵列信号中的左子阵信号和右子阵信号进行延时求和，得到左波束和右波束；
和波束模块，被配置为利用所述延时求和模块得到的所述左波束和所述右波束构建和波束；
差波束模块，被配置为利用所述延时求和模块得到的所述左波束和所述右波束构建差波束；
超波束获取模块，被配置为按照预定方式对所述和波束模块得到的所述和波束和所述差波束模块得到的所述差波束进行运算得到超波束；
加权系数获取模块，被配置为对所述超波束获取模块获取的所述超波束在时间上进行求和运算，得到空间上的加权系数；
全波束获取模块，被配置为将所述延时求和模块得到的所述左波束和所述右波束相加得到全波束；
加权波束获取模块，被配置为利用所述加权系数获取模块获取的所述加权系数对所述全波束获取模块获取的所述全波束进行空间加权，得到超波束加权的波束。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述阵列信号由N个阵元组成，所述阵列信号的第1至N/2个阵元组成所述左子阵信号，所述阵列信号中的第N/2+1至N个阵元组成所述右子阵信号，垂直于所述阵列信号的方向为法线方向，波束指向与所述法线的夹角为θ，所述左波束为指向θ方向的左波束，所述右波束为指向θ方向的右波束。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190101 |