CN110244288A - 一种基于聚焦归位原理的水声阵列信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于聚焦归位原理的水声阵列信号处理方法，属于水声信号与数据处理领域。本发明借助克希霍夫积分公式，对阵列接收信号的数字记录实施聚焦归位，能求出声源的方位与距离信息，解决了水声阵列信号处理中波束形成只能定向而不能测距的问题，且具有阵元间距不受半波长限制、对窄带信号和宽带信号同样适用以及对部分阵元失效仍有较好鲁棒性的特点，利于大规模组阵来获得空间增益。

Description

一种基于聚焦归位原理的水声阵列信号处理方法

技术领域

本发明属于水声信号处理与数据领域，更具体地，涉及一种基于聚焦归位原理的水声阵列信号处理方法。

背景技术

目前声波是迄今为止发现的在水中传播性能最佳的能量形式。水面舰船和其他水中平台装备的声纳系统通过利用声波来进行水中目标探测、定位与跟踪、水下通信和海洋测量。为了提高声纳系统的性能，性能优良的水声阵列成为必须。现在声纳阵列正朝着低频、大孔径的方向发展。同时随着海洋环境噪声级的增加以及目标消声与隐身技术的不断发展，水声阵列接收信号的信噪比大大降低，这对水声阵列信号处理提出了更高的要求。水声阵列信号处理通过减弱空间干扰和噪声以获得空间增益并形成空间波束进行方位估计。

波束形成是水声阵列信号处理的主要组成部分，波束形成就是对不同阵元接收数据进行包括加权、延迟以及求和等一系列的运算以达到波束定向的目的。无论是在主动声纳还是被动声纳的阵列信号处理中都要使用波束形成算法。这一方面是为了获得足够大的信噪比，另一方面是为了提高对目标的分辨能力。波束形成实际上相当于一个空间滤波器，它只接收沿空间某一方向传播的信号，而抑制空间其他方向的干扰和噪声，从而获得空间增益、提高信噪比。可见波束形成俨然已成为声纳阵列的核心技术，是现在声纳系统具有优良战技指标的基础。

在对阵列接收数据进行上述波束形成处理时，其前提是假设信号源满足远场条件，即认为阵列接收到的信号为平面波。这就导致了对单一直线阵进行波束形成时只能定向而不能测距，并且当信号源不能满足远场条件时，这些波束形成算法的性能会下降、甚至可能失效。同时为避免阵列定向模糊问题，一般要求相邻阵元间距不超过二分之一波长，这也限制了波束形成算法在存在部分阵元通道失效的均匀等间距直线阵中难以发挥其效能。

发明内容

本发明提出一种基于聚焦归位原理的水声阵列信号处理方法，解决了水声阵列信号处理中波束形成只能定向而不能测距的问题，利于大规模组阵来获得空间增益。

本发明方法步骤如下：

步骤一：设计阵列的阵元数和阵元间距，并根据阵列位置设置求解空间，同时对求解空间区域进行离散化；

步骤二：在求解空间区域选取离散网格点，并假定该离散网格点为声源所在位置；

步骤三：计算声源辐射信号传播到直线阵各阵元所需的时间t和声源辐射信号沿直线阵法线方向传播到阵列垂足位置所需的时间t₀；t和t₀满足关系式其中x为阵元到垂足的距离，在t-x时距坐标轴上呈现出双曲线的形状；

步骤四：将声源信号到阵列各阵元的传播时间t进行时差补偿至t₀，使各阵元接收到的声源信号相位一致，然后对各阵元接收信号进行能量叠加；

步骤五：将各阵元信号叠加后的能量与设定的门限值进行比较，若叠加能量值小于门限值，则判别在离散网格点处无声源，否则判别有声源存在，且位于离散网格点处；

步骤六：更新选取求解空间中的离散网格点，重复步骤二至步骤五，在声源存在的判别条件得到满足后，输出声源所位于的离散网格点，进而给出声源相对于阵列的方位和距离信息，如此迭代，直到求解空间中的所有离散网格点被处理一遍，迭代计算停止。

特别地，所述步骤四中，按如下克希霍夫积分公式进行能量叠加：

其中f(x,y)为聚焦归位后的叠加能量，为阵元接收信号的数字记录，x*为阵元到阵列中心点O的水平距离，r为归位点到阵列中间点O的距离，v为水声传播速度，θ为归位点与阵列法线方向的方位角，y为阵列法线方向的坐标值，且有

本发明取得的有益效果是：

(1)本发明在对阵列接收数据处理时不需做远场条件的假设，阵元间距不受半波长的限制，对窄带信号和宽带信号同样适用。

(2)本发明与波束形成技术相比，在阵列传感器数量相同的条件下，可通过增大相邻阵元的间距来获得大孔径，从而具有更高的空间增益。

(3)本发明应用于直线阵时，对声源不仅能定向，还能测距；并且在阵列部分阵元失效的情况下，仍能发挥其性能，具有较好的鲁棒性。

附图说明

图1为聚焦归位原理图；

图2为接收阵列与声源目标的空间位置分布图；

图3为阵列接收信号的时距二次曲线图。

具体实施方式

为了更加详细地对本发明进行阐述，下面结合附图和具体实施例作更进一步的说明。

图1为本发明所采用聚焦归位原理的示意图，其核心思想是借助克希霍夫积分公式对阵列接收的数字记录实施聚焦归位，求得声源的距离和方位角。其中f(x,y)为聚焦归位后的叠加能量，为阵元接收信号的数字记录，x*为阵元到阵列中心点O的水平距离，r为归位点到阵列中间点O的距离，v为水声传播速度，θ为归位点与阵列法线方向的方位角，y为阵列法线方向的坐标值，且有以此为依据，该发明的具体实现过程可按下列步骤进行详细描述：

步骤1：设计阵列的阵元数N和阵元间距d，并根据阵列位置设置求解空间，同时对求解空间区域进行离散化。

步骤2：在求解空间区域选取离散网格点P_i,j(x_i,y_j)，并假定该离散网格点P_i,j(x_i,y_j)为声源所在位置。

步骤3：计算声源辐射信号传播到直线阵各阵元所需的时间t和声源辐射信号沿直线阵法线方向传播到阵列垂足位置所需的时间t₀。

图2为接收阵列与声源目标的空间位置分布图，可从数学上容易得到目标声源辐射信号传播到直线阵各阵元所需时间t和目标声源辐射信号沿直线阵法线方向传播到阵列垂足位置所需时间t₀的关系为其中x为阵元到垂足M的距离。可见传感器阵列接收信号呈现出时距二次曲线的形式，如图3所示。不同方位和距离的声源目标所对应的时距二次曲线具有不同的曲率和顶点位置，造成了声源目标信号到达各阵元的传播时差。

步骤4：将声源信号到阵列各阵元的传播时间t进行时差补偿至t₀，使各阵元接收到的声源信号相位一致，然后对各阵元接收信号进行能量叠加。

步骤5：将各阵元信号叠加后的能量与设定的门限值进行比较，若叠加能量值小于门限值，则判别在离散网格点P_i,j(x_i,y_j)处无声源，否则判别有声源存在，且位于离散网格点P_i,j(x_i,y_j)处。

步骤6：更新选取求解空间中的离散网格点，重复步骤二至步骤五，在声源存在的判别条件得到满足后，输出声源所位于的离散网格点，进而给出声源相对于阵列的方位和距离信息，如此迭代，直到求解空间中的所有离散网格点被处理一遍，迭代计算停止，程序结束。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的各种变化和改进，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于聚焦归位原理的水声阵列信号处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：设计阵列的阵元数和阵元间距，并根据阵列位置设置求解空间，同时对求解空间区域进行离散化；

步骤二：在求解空间区域选取离散网格点，并假定该离散网格点为声源所在位置；

步骤三：计算声源辐射信号传播到直线阵各阵元所需的时间t和声源辐射信号沿直线阵法线方向传播到阵列垂足位置所需的时间t₀；t和t₀满足关系式其中x为阵元到垂足的距离，在t-x时距坐标轴上呈现出双曲线的形状；

步骤四：将声源信号到阵列各阵元的传播时间t进行时差补偿至t₀，使各阵元接收到的声源信号相位一致，然后对各阵元接收信号进行能量叠加；

步骤五：将各阵元信号叠加后的能量与设定的门限值进行比较，若叠加能量值小于门限值，则判别在离散网格点处无声源，否则判别有声源存在，且位于离散网格点处；

步骤六：更新选取求解空间中的离散网格点，重复步骤二至步骤五，在声源存在的判别条件得到满足后，输出声源所位于的离散网格点，进而给出声源相对于阵列的方位和距离信息，如此迭代，直到求解空间中的所有离散网格点被处理一遍，迭代计算停止。

2.根据权利要求1所述的一种基于聚焦归位原理的水声阵列信号处理方法，其特征在于，所述步骤四中，按如下克希霍夫积分公式进行能量叠加：

其中f(x,y)为聚焦归位后的叠加能量，为阵元接收信号的数字记录，x*为阵元到阵列中心点O的水平距离，r为归位点到阵列中间点O的距离，v为水声传播速度，θ为归位点与阵列法线方向的方位角，y为阵列法线方向的坐标值，且有