CN111679245A - 一种基于均匀圆阵的子阵重合的分裂波束定向方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于均匀圆阵的子阵重合的分裂波束定向方法，所述方法包括将M个阵元均匀布置在半径为R的圆周上，形成均匀圆形阵列、常规波束形成测向和子阵重合的分裂波束精确定向步骤，本发明在测向精度损失不大的条件下，能够解决传统分裂波束定向方法子阵列增益较低的问题，并取得了有益的效果。

Description

一种基于均匀圆阵的子阵重合的分裂波束定向方法
技术领域
本发明属于测向技术领域，特别是涉及一种基于均匀圆阵的子阵重合的分裂波束定向方法。
背景技术
目标方位估计的主要目的是估计目标的位置和空域参数等，在声呐和雷达等领域有着重要的应用。随着海洋资源的不断开发，方位估计在水下导航、水下定位及海洋开发等领域发挥的作用也日益重要。因此，对水下目标进行精确测向具有十分重大的意义。
目前，对水下目标测向的方法有常规波束形成法，多重信号分类方法和分裂波束方法等。对于常规波束形成法，实现简单但是其测向分辨率不高；对于多重信号分类方法(MUSIC)，尽管该法的分辨率很高，但是要进行子空间分解和谱峰搜索，计算量较大，特别对于均匀圆阵，还需要先把圆阵转换为虚拟均匀线阵。对分裂波束方法，它具有接近最优DOA估计精度，其测向精度接近于克拉美罗下界，且计算量较小。但是传统的分裂波束方法是在主轴两侧分别选择没有重叠的阵元作为左子阵和右子阵，这就使得阵元的利用率不高，分裂波束时子阵列的增益不大。如何使其在测向精度损失不大的条件下，尽可能提高子阵列的增益，成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明目的是为了解决传统分裂波束定向方法子阵列增益较低的问题，在测向精度损失不大的条件下，提出了一种基于均匀圆阵的子阵重合的分裂波束定向方法。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于均匀圆阵的子阵重合的分裂波束定向方法，具体包括以下步骤：
步骤1、建立M阵元均匀圆阵模型，圆阵半径为R，其中任意两个相邻阵元与圆心所形成的夹角为α0，所述M为偶数；
步骤2、对接收到的M路水声信号做常规波束形成，以360°/M为扫描步长共形成M个波束，再取这M个波束的能量的最大值对应的扫描角度，作为水声信号来向的粗略估计θ′；并以圆心作为坐标原点，以过圆心的直径所在的射线为x轴，以水声信号来向的粗略估计为y轴建立坐标系；
步骤3、将水声信号来向的粗略估计作为分裂波束a和分裂波束b的对称轴，在所述坐标系的第一象限中选择某一阵元为起始点逆时针选取小于M/2且大于M/4个阵元作为分裂波束b，同时以该某一阵元关于y轴对称的阵元为起始点顺时针选取小于M/2且大于M/4个阵元作为分裂波束a，所述分裂波束a和分裂波束b中所包含的阵元个数相同，所述分裂波束a和分裂波束b的重叠阵元数小于等于
Figure BDA0002505155730000021
且大于等于2，所述重叠阵元数为偶数，所述分裂波束a和分裂波束b的阵元不完全重合；
步骤4、利用自适应相位估计器得到分裂波束a和分裂波束b的初始相位，进而得到两波束的相位差；
步骤5、设入射角和水声信号来向粗略估计的夹角为θ，根据两波束相位差
Figure BDA0002505155730000024
和θ之间的关系计算得到精确的水声信号方位估计。
进一步地，所述两波束相位差
Figure BDA0002505155730000022
和θ之间的关系为：
Figure BDA0002505155730000023
其中，f为信号频率，c表示声速，lα表示分裂波束a终止阵元号，sα表示分裂波束a起始阵元号，lβ表示分裂波束b终止阵元号，sβ表示分裂波束b起始阵元号。
进一步地，所述精确的水声信号方位估计为θ+θ′。
附图说明
图1为M阵元圆形基阵结构图；
图2为选取分裂波束的阵元示意图；
图3为子阵重合的分裂波束定向方法流程图；
图4为不同信噪比下子阵不重合和子阵重合的分裂波束定向方法性能比较示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1-图3，本发明提出一种基于均匀圆阵的子阵重合的分裂波束定向方法，具体包括以下步骤：
步骤1、建立M阵元均匀圆阵模型，圆阵半径为R，即将M个阵元均匀布置在半径为R的圆周上，形成均匀圆形阵列，其中任意两个相邻阵元与圆心所形成的夹角为α0，所述M为偶数；
步骤2、对接收到的M路水声信号做常规波束形成，一共形成M个波束(即扫描步长为360°/M)，再取这M个波束的能量的最大值对应的扫描角度，作为水声信号来向的粗略估计θ′；并以圆心作为坐标原点，以过圆心的直径所在的射线为x轴，以水声信号来向的粗略估计为y轴建立坐标系；
步骤3、将水声信号来向的粗略估计作为分裂波束a和分裂波束b的对称轴，在所述坐标系的第一象限中选择某一阵元为起始点逆时针选取小于M/2且大于M/4个阵元作为分裂波束b，同时以该某一阵元关于y轴对称的阵元为起始点顺时针选取小于M/2且大于M/4个阵元作为分裂波束a，所述分裂波束a和分裂波束b中所包含的阵元个数相同，所述分裂波束a和分裂波束b的重叠阵元数小于等于
Figure BDA0002505155730000031
且大于等于2，所述重叠阵元数为偶数，所述分裂波束a和分裂波束b的阵元不完全重合；
步骤4、利用自适应相位估计器得到分裂波束a和分裂波束b的初始相位，进而得到两波束的相位差；
步骤5、设入射角和水声信号来向粗略估计的夹角为θ，根据两波束相位差
Figure BDA0002505155730000034
和θ之间的关系计算得到精确的水声信号方位估计。
所述两波束相位差
Figure BDA0002505155730000032
和θ之间的关系为：
Figure BDA0002505155730000033
其中，f为信号频率，c表示声速，lα表示分裂波束a终止阵元号，sα表示分裂波束a起始阵元号，lβ表示分裂波束b终止阵元号，sβ表示分裂波束b起始阵元号。
所述精确的水声信号方位估计为θ+θ′。
实施例
本实例采用32阵元圆形水听器基阵，信号频率为5kHz，采样频率为20kHz，声速为1500m/s，目标方位角为1.5°，计算两子阵的相位差使用自适应相位差估计器。对于子阵不重合的分裂波束方法，左右子阵的阵元数均为5个；子阵重合的分裂波束方法左右子阵阵元数为9，重叠阵元数为8。根据上述仿真条件，进行200次的蒙特卡罗仿真。
图4是不同信噪比下对子阵是否重合对测向精度的影响，从仿真结果可知，子阵重合法在测向精度上略有损失，但是当信噪比为-20dB时，子阵不重合估计方法为0.2°左右，而子阵重合法估计方位为1.0°。因此，在低信噪比下子阵重合法要优于子阵不重合法，同时在使用相同阵元(10个)的情况下，由于子阵重合法的每个子阵的阵元个数更多，因此该子阵重合法的子阵增益要高。
以上对本发明所提出的一种基于均匀圆阵的子阵重合的分裂波束定向方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种基于均匀圆阵的子阵重合的分裂波束定向方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤1、建立M阵元均匀圆阵模型，圆阵半径为R，其中任意两个相邻阵元与圆心所形成的夹角为α0，所述M为偶数；
步骤2、对接收到的M路水声信号做常规波束形成，以360°/M为扫描步长共形成M个波束，再取这M个波束的能量的最大值对应的扫描角度，作为水声信号来向的粗略估计θ′；并以圆心作为坐标原点，以过圆心的直径所在的射线为x轴，以水声信号来向的粗略估计为y轴建立坐标系；
步骤3、将水声信号来向的粗略估计作为分裂波束a和分裂波束b的对称轴，在所述坐标系的第一象限中选择某一阵元为起始点逆时针选取小于M/2且大于M/4个阵元作为分裂波束b，同时以该某一阵元关于y轴对称的阵元为起始点顺时针选取小于M/2且大于M/4个阵元作为分裂波束a，所述分裂波束a和分裂波束b中所包含的阵元个数相同，所述分裂波束a和分裂波束b的重叠阵元数小于等于
Figure FDA0002505155720000011
且大于等于2，所述重叠阵元数为偶数，所述分裂波束a和分裂波束b的阵元不完全重合；
步骤4、利用自适应相位估计器得到分裂波束a和分裂波束b的初始相位，进而得到两波束的相位差；
步骤5、设入射角和水声信号来向粗略估计的夹角为θ，根据两波束相位差
Figure FDA0002505155720000013
和θ之间的关系计算得到精确的水声信号方位估计。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述两波束相位差
Figure FDA0002505155720000014
和θ之间的关系为：
Figure FDA0002505155720000012
其中，f为信号频率，c表示声速，lα表示分裂波束a终止阵元号，sα表示分裂波束a起始阵元号，lβ表示分裂波束b终止阵元号，sβ表示分裂波束b起始阵元号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述精确的水声信号方位估计为θ+θ′。
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