CN110736976B - 一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法，包括以下步骤：S1、构造阵列空间坐标矩阵，S2、阵列姿态变换，S3、建立阵列信号模型，S4、波束形成，S5、波束性能估计。本发明在设计声基阵阵形时可以直接选择预设的常用阵列形式，也可以通过加载阵元坐标数据快速得到其他不规则的阵形，并可以通过设置姿态参数改变声基阵的空间位置。本发明还可以在阵形设计完成的基础上，设置好信号参数和波束参数后，选择不同的波束形成器，绘制水平方向、垂直方向以及三维立体波束图，通过主瓣方向、主瓣高度、主瓣宽度、旁瓣高度、栅瓣高度等对波束形成器进行性能估计，对比不同参数和不同算法下的波束性能可以方便设计者进行声纳参数和波束形成算法优选。

Description

一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法

技术领域

本发明属于声纳阵列信号处理技术领域，具体涉及一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法。

背景技术

声纳是利用声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备。声纳有很多种类，并且分类方法也很多。笼统地可分为军用和民用两类；按工作原理或工作方式划分，可分为主动式声纳和被动式声纳；按装置体系分类，可分为舰用声纳、潜艇用声纳、岸用声纳、航空吊放声纳和声纳浮标、海底声纳等；按工作性质分类，可分为通信声纳、探测声纳、水下制导声纳，水声对抗系统等。但是所有声纳都有共性，都有基本不变的结构。它们的系统组成都是由干端和湿端组成。所不同的只是配置不同，复杂程度不同，因而所能完成的功能也不同。

声基阵阵形设计是声纳系统设计的基础。基阵是指将若干个换能器按照一定规律构成的具有一定形状的阵列。基阵的结构形状一般由其安装空间决定，阵元数目则受信号场空间相关半径与设备成本决定。常用的阵列形式有均匀线阵、均匀圆阵、面阵、圆柱阵、共形阵等。波束形成技术是指将各阵元的信号进行加权求和，在一时间内将阵列波束导向到一个方向上。基阵和波束形成处理相结合，构成空间滤波器，用于提高声纳设备的空间增益、测向精度、分辨力等性能。

在设计一部声纳之初，都需要对声基阵阵形和波束图进行分析，以考察该声纳性能的优劣。若每次针对不同的阵形和不同的波束形成处理方法都进行一次分析的话，工作效率是很低的。

因此，若开发一种能对任意阵形的声纳波束形成器性能进行估计的方法，可以显著提高设计效率，并增加分析结果的可靠性。

发明内容

为解决现有技术存在的缺陷，本发明提供一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明提供一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法，包括以下步骤：

S1、构造阵列空间坐标矩阵，根据阵列类型获得所有阵元的坐标位置p_i(x,y,z)，然后构造基阵全部阵元坐标矩阵：

P＝[p₁,p₂,...,p_N],

S2、阵列姿态变换，包括以下步骤：

S21、读取艏向角a、纵摇角b、横摇角c三个姿态参数，计算姿态转换矩阵T：

S22、将阵列各阵元坐标矩阵P与姿态转换矩阵T相乘，得到新的坐标矩阵即姿态变换后各阵元的坐标位置；

S3、建立阵列信号模型，包括以下步骤：

首先假设信号从球面角

入射到基阵，定义信号传播方向的单位向量为：

根据各阵元坐标向量，计算信号到达各阵元相对于参考点的时间延迟：

τ_i＝u^Tp_i/c，i＝1,…,N

然后读取频率f0、带宽B、采样率FS信号参数，构造参考点接收到的信号s(t)；于是，第i个阵元接收到的信号为

s_i(t)＝s(t-τ_i),i＝1,…,N

这是时域信号形式，将其进行傅里叶变换，有

令

则

称为阵列的方向矢量，当波长和阵列的几何结构确定时，其只与空间角

有关；改变空间角

使方向矢量在三维空间内扫描，所形成的集合称作阵列流形，阵列流形用符号A表示，即

假设同时有K个具有相同中心频率ω₀的信号分别以空间角Θ₁,Θ₂,…,Θ_K入射到该阵列，这里

这时，阵列信号模型可以用矩阵简练地表示为：

X(t)＝A(Θ)S(t)+N(t)；

S4、波束形成，对于接收信号x(n)，波束形成的过程可以用下式来表述：

其中，w＝[w₁,w₂,…,w_N]^T是波束形成权向量，y(n)是波束形成输出；

用

表示波束输出功率，则

其中，R_X＝E[x(t)x^H(t)]为阵列输出的协方差矩阵；

S5、波束性能估计，包括以下步骤：

波束形成器通过波束图的主瓣方向、主瓣高度、主瓣宽度、旁瓣高度、栅瓣高度指标的大小来描述其性能。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤S1构造阵列空间坐标矩阵，包括以下步骤：

S11、读取阵列类型；

S12、判断阵列类型，其中预设的阵列类型包含均匀直线阵、均匀圆环阵、平面阵、圆柱阵、以及不规则阵形；若阵列类型不是常规阵形，则进入步骤S13，若阵列类型是常规阵形，则进入步骤S14；

S13、读取不规则阵形的阵列坐标数据，然后进入步骤S15；

S14、根据阵列类型输入阵列结构参数，输入对应阵元个数和阵元间距参数后，选取一个阵元作为参考原点，计算基阵所有阵元的坐标位置p_i(x,y,z)；

S15、构造基阵全部阵元坐标矩阵：

P＝[p₁,p₂,...,p_N]。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤S22得到新的坐标矩阵即姿态变换后各阵元的坐标位置后，绘制三维布阵示意图用于直观查看声基阵在空间中的姿态。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤S5中主瓣方向是

极大值所在的方向；若主瓣方向为

根据预设的波束方位角θ₀和俯仰角

计算主瓣方向与预设波束指向的偏差

从该偏差的大小用于衡量波束指向的精度；

步骤S5中主瓣高度就是

的最大值；对于相同的阵列接收信号，未归一化之前的主瓣高度也是衡量波束性能的重要指标之一；

步骤S5中从极大值开始，

下降到最大值的

的地方，则2θ为水平方向上的主瓣宽度，

为垂直方向上的主瓣宽度；波束的主瓣宽度反应了系统对目标的方位分辨力，通常希望主瓣较窄，但并不是越窄越好，还要根据硬件资源和预形成的波束数来选择合适的主瓣宽度；

步骤S5中除极大值之外的次极大值称为旁瓣，最大旁瓣值与主瓣值之比取对数的分贝值，称为旁瓣高度；通常希望旁瓣高度尽可能低，以抑制来自旁瓣区域的干扰，降低目标检测的虚警概率；

步骤S5中栅瓣是波束图中与主瓣高度相同或接近的波瓣；出现栅瓣的物理原因与主瓣相同，即在这些方向上基阵各阵元信号同相叠加；栅瓣也会造成虚警，因此通常希望波束图中不出现栅瓣；

波束图的这几个指标之间不是独立的，而是相互关联的，在设计时通过对比分析以上指标，方便设计者选择满足需要的、综合性能最优的声纳参数和波束形成器。

本发明的有益效果是：本发明在设计声基阵阵形时可以直接选择预设的常用阵列形式，也可以通过加载阵元坐标数据快速得到其他不规则阵形，并可以通过设置姿态参数改变声基阵的空间位置。本发明还可以在阵形设计完成的基础上，设置好信号参数和波束参数后，通过选择不同的波束形成方法，绘制水平方向、垂直方向以及三维立体波束图，对比不同参数和不同算法下的主瓣方向、主瓣高度、主瓣宽度、旁瓣高度、栅瓣高度等，方便设计者进行声纳参数和波束形成算法优选。

附图说明

图1是本发明一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法的工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

为了达到本发明的目的，如图1所示，在本发明的其中一种实施方式中提供一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法，包括以下步骤：

S1、构造阵列空间坐标矩阵，包括以下步骤：

S11、读取阵列类型；

S12、判断阵列类型，其中预设的阵列类型包含均匀直线阵、均匀圆环阵、平面阵、圆柱阵、以及不规则阵形；若阵列类型不是常规阵形，则进入步骤S13，若阵列类型是常规阵形，则进入步骤S14；

S13、读取不规则阵形的阵列坐标数据，然后进入步骤S15；

S14、根据阵列类型输入阵列结构参数，输入对应阵元个数和阵元间距参数后，选取一个阵元作为参考原点，计算基阵所有阵元的坐标位置p_i(x,y,z)；

S15、构造基阵全部阵元坐标矩阵：

P＝[p₁,p₂,...,p_N]；

S2、阵列姿态变换，包括以下步骤：

S21、读取艏向角a、纵摇角b、横摇角c三个姿态参数，计算姿态转换矩阵T：

S22、将阵列各阵元坐标矩阵P与姿态转换矩阵T相乘，得到新的坐标矩阵即姿态变换后各阵元的坐标位置；然后，绘制三维布阵示意图用于直观查看声基阵在空间中的姿态；

S3、建立阵列信号模型，包括以下步骤：

首先假设信号从球面角

入射到基阵，定义信号传播方向的单位向量为：

根据各阵元坐标向量，计算信号到达各阵元相对于参考点的时间延迟：

τ_i＝u^Tp_i/c，i＝1,…,N

然后读取频率f0、带宽B、采样率FS信号参数，构造参考点接收到的信号s(t)；于是，第i个阵元接收到的信号为

s_i(t)＝s(t-τ_i),i＝1,…,N

这是时域信号形式，将其进行傅里叶变换，有

令

则

称为阵列的方向矢量，当波长和阵列的几何结构确定时，其只与空间角

有关；改变空间角

使方向矢量在三维空间内扫描，所形成的集合称作阵列流形，阵列流形用符号A表示，即

假设同时有K个具有相同中心频率ω₀的信号分别以空间角Θ₁,Θ₂,…,Θ_K入射到该阵列，这里

这时，阵列信号模型可以用矩阵简练地表示为：

X(t)＝A(Θ)S(t)+N(t)；

S4、波束形成

由阵列信号模型可知，到达基阵各阵元的期望信号是源信号经过不同传播时延的样本；如果对各阵元接收的信号选取一个适当的加权向量以补偿它的传播延时，从而使在某一期望方向上阵列输出可以同相叠加，进而使阵列在该方向上产生一个主瓣波束，而对其他方向上产生较小的响应，这就是阵列的波束形成。

对于接收信号x(n)，波束形成的过程可以用下式来表述：

其中，w＝[w₁,w₂,…,w_N]^T是波束形成权向量，y(n)是波束形成输出；

波束形成器的能量输出称为波束图，它描述的是波束形成器对各方位信号的响应大小，用于表示波束形成器的空域滤波性能；用

表示波束输出功率，则

其中，R_X＝E[x(t)x^H(t)]为阵列输出的协方差矩阵；

从波束输出表达式可以看出波束形成权向量w的选取决定了波束图的形状。对于不同的波束形成器，有不同的计算权向量的准则和方法。本发明中提供了几种预设的波束形成器，有常规波束形成器(CBF)、超波束形成器(HBF)、MVDR波束形成器、MUSIC波束形成器。另外，本发明还提供其他波束形成器的接口，用户可以通过该接口写入自己设计的波束形成算法，并根据输入的波束方位角和俯仰角，画出指定空间方向上的波束图。

S5、波束性能估计，包括以下步骤：

波束形成器通过波束图的主瓣方向、主瓣高度、主瓣宽度、旁瓣高度、栅瓣高度指标的大小来描述其性能。

1、主瓣方向

主瓣方向是

极大值所在的方向；若主瓣方向为

根据预设的波束方位角θ₀和俯仰角

计算主瓣方向与预设波束指向的偏差

从该偏差的大小用于衡量波束指向的精度。

2、主瓣高度

主瓣高度就是

的最大值；对于相同的阵列接收信号，未归一化之前的主瓣高度也是衡量波束性能的重要指标之一。

3、主瓣宽度

从极大值开始，

下降到最大值的

的地方，则2θ为水平方向上的主瓣宽度，

为垂直方向上的主瓣宽度；波束的主瓣宽度反应了系统对目标的方位分辨力，通常希望主瓣较窄，但并不是越窄越好，还要根据硬件资源和预形成的波束数来选择合适的主瓣宽度。

4、旁瓣高度

除极大值之外的次极大值称为旁瓣，最大旁瓣值与主瓣值之比取对数的分贝值，称为旁瓣高度。通常希望旁瓣高度尽可能低，以抑制来自旁瓣区域的干扰，降低目标检测的虚警概率。

5、栅瓣高度

栅瓣是波束图中与主瓣高度相同或接近的波瓣。出现栅瓣的物理原因与主瓣相同，即在这些方向上基阵各阵元信号同相叠加。栅瓣也会造成虚警，因此通常希望波束图中不出现栅瓣。

波束图的这几个指标之间不是独立的，而是相互关联的，在设计时通过对比分析不同参数和不同算法下的以上指标，选择满足需要的、综合性能最优的声纳参数和波束形成器，从而给出声纳系统的最优设计方法。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构造阵列空间坐标矩阵，根据阵列类型获得所有阵元的坐标位置p_i(x,y,z)，然后构造基阵全部阵元坐标矩阵：

P＝[p₁,p₂,...,p_N]

S2、阵列姿态变换，包括以下步骤：

S21、读取艏向角a、纵摇角b、横摇角c三个姿态参数，计算姿态转换矩阵T：

S22、将阵列各阵元坐标矩阵P与姿态转换矩阵T相乘，得到新的坐标矩阵即姿态变换后各阵元的坐标位置；

S3、建立阵列信号模型，包括以下步骤：

首先假设信号从球面角

入射到基阵，定义信号传播方向的单位向量为：

根据各阵元坐标向量，计算信号到达各阵元相对于参考点的时间延迟：

τ_i＝u^Tp_i/c，i＝1,…,N

然后读取频率f0、带宽B、采样率FS信号参数，构造参考点接收到的信号s(t)；于是，第i个阵元接收到的信号为

s_i(t)＝s(t-τ_i),i＝1,…,N

这是时域信号形式，将其进行傅里叶变换，有

令

则

称为阵列的方向矢量，当波长和阵列的几何结构确定时，其只与空间角

有关；改变空间角

使方向矢量在三维空间内扫描，所形成的集合称作阵列流形，阵列流形用符号A表示，即

假设同时有K个具有相同中心频率ω₀的信号分别以空间角Θ₁,Θ₂,…,Θ_K入射到该阵列，这里

这时，阵列信号模型可以用矩阵简练地表示为：

X(t)＝A(Θ)S(t)+N(t)；

S4、波束形成，对于接收信号x(n)，波束形成的过程可以用下式来表述：

其中，w＝[w₁,w₂,…,w_N]^T是波束形成权向量，y(n)是波束形成输出；

用

表示波束输出功率，则

其中，R_X＝E[x(t)x^H(t)]为阵列输出的协方差矩阵；

S5、波束性能估计，包括以下步骤：

波束形成器通过波束图的主瓣方向、主瓣高度、主瓣宽度、旁瓣高度、栅瓣高度指标的大小来描述其性能。

2.根据权利要求1所述的任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法，其特征在于，步骤S1构造阵列空间坐标矩阵，包括以下步骤：

S11、读取阵列类型；

S12、判断阵列类型，其中预设的阵列类型包含均匀直线阵、均匀圆环阵、平面阵、圆柱阵、以及不规则阵形；若阵列类型不是常规阵形，则进入步骤S13，若阵列类型是常规阵形，则进入步骤S14；

S13、读取不规则阵形的阵列坐标数据，然后进入步骤S15；

S14、根据阵列类型输入阵列结构参数，输入对应阵元个数和阵元间距参数后，选取一个阵元作为参考原点，计算基阵所有阵元的坐标位置p_i(x,y,z)；

S15、构造基阵全部阵元坐标矩阵：

P＝[p₁,p₂,...,p_N]。

3.根据权利要求1所述的任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法，其特征在于，步骤S22得到新的坐标矩阵即姿态变换后各阵元的坐标位置后，绘制三维布阵示意图用于直观查看声基阵在空间中的姿态。

4.根据权利要求1所述的任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法，其特征在于，步骤S5中主瓣方向是

极大值所在的方向；若主瓣方向为

根据预设的波束方位角θ₀和俯仰角

计算主瓣方向与预设波束指向的偏差

从该偏差的大小用于衡量波束指向的精度；

步骤S5中主瓣高度就是

的最大值；对于相同的阵列接收信号，未归一化之前的主瓣高度也是衡量波束性能的重要指标之一；步骤S5中从极大值开始，

下降到最大值的

的地方，则2θ为水平方向上的主瓣宽度，

为垂直方向上的主瓣宽度；波束的主瓣宽度反应了系统对目标的方位分辨力。

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