CN112083430A - 一种适用于轨道角动量三维成像声呐的旁瓣抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于轨道角动量三维成像声呐的旁瓣抑制方法，其技术特点是：对不同阶的轨道角动量涡旋声波的回波信号进行加权求和，获得涡旋波的波束；根据涡旋波的波束，构建旁瓣高的方位的点的集合S；对旁瓣高的方位的点的集合S进行处理，获得优化后的加权矢量；使用优化后的加权矢量对接收水听器接收的信号进行第一次波束形成；对步骤4得到的数据上进行加权求和获得第二次波束形成，遍历不同的空间方位后得到最终波束图。本发明通过优化波束形成的加权矢量，使得第一次波束形成在第二次波束旁瓣高的方位形成凹陷，降低轨道角动量三维成像声呐旁瓣级，从而达到抑制最终波束的旁瓣的目的。

Description

一种适用于轨道角动量三维成像声呐的旁瓣抑制方法

技术领域

本发明属于海洋声学装备技术领域，涉及一种旁瓣抑制方法,尤其是一种适用于轨道角动量三维成像声呐的旁瓣抑制方法。

背景技术

随着海洋技术的发展，人们对涡旋声波的研究也越来越重视。涡旋声波具有螺旋形的波前相位，可以对空间信息进行调制，提高声波的信息传递和获取能力。因此采用轨道角动量涡旋声波作为发射信号的相控阵三维成像声呐，不仅可以提高成像精度，还能够大大减少所需接收面阵的水听器数量。但是，接收面阵的稀疏性质，会带来接收面阵波束的旁瓣级的提高，例如，采用64个阵元的接收面阵的轨道角动量三维成像声呐，旁瓣级只有-9.8dB。因此，如何有效地抑制轨道角动量三维成像声呐的旁瓣级是目前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理且能有效降低轨道角动量三维成像声呐旁瓣级的适用于轨道角动量三维成像声呐的旁瓣抑制方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种适用于轨道角动量三维成像声呐的旁瓣抑制方法，包括以下步骤：

步骤1：对不同阶的轨道角动量涡旋声波的回波信号进行加权求和，获得涡旋波的波束；

步骤2：根据涡旋波的波束，构建旁瓣高的方位的点的集合S；

步骤3：采用凹槽噪声算法、优化最低旁瓣法或旁瓣约束高增益优化法，对旁瓣高的方位的点的集合S进行处理，获得优化后的加权矢量；

步骤4：使用优化后的加权矢量对接收水听器接收的信号进行第一次波束形成；

步骤5：对步骤4得到的数据上进行加权求和获得第二次波束形成，遍历不同的空间方位后得到最终波束图。

而且，所述步骤1的具体实现方法为：

在正方形的接收面阵上随机布放若干个接收水听器，以正方形的接收面阵的中心为圆心，布放一个半径为a的发射圆环阵，在发射圆环阵上均匀布放N个发射换能器，以正X轴上的发射换能器为第一个发射基元，对发射换能器进行标号：1,2，…,N；第n个发射换能器发射的信号为：

其中，φ_n＝2πnl/N代表发射调相，l为发射涡旋波的阶数，ω为发射的频率；

利用发射圆环阵列依次发射不同阶数l的涡旋声波，对不同阶l的涡旋声波的回波信号进行加权求和，得到涡旋波的波束：

其中，(φ₀,θ₀)为波束对准的方向，S₁(φ,θ,1)为方位(φ,θ)处存在一个点目标且发射第l阶涡旋波时原点处的接收信号，

为复数，J_l为l阶贝塞尔函数，c为声速，k＝ω/c为波数。

而且，所述步骤2的具体实现方法为：设置一个阈值∈，对涡旋波的波束归一化幅值超过该阈值的集合，对该集合离散化得到旁瓣高的方位的点的集合S：

S＝{(φ₁,θ₁),···,(φ_J,θ_J)}

这里(φ_i，θ_i)为旁瓣高于阈值∈的方位的俯仰角和方位角坐标。

而且，所述步骤3的凹槽噪声算法为：在集合S的方位放置虚拟信号干扰源，得到基阵数据的协方差矩阵为：

其中，

为第j个干扰源的响应向量，

是对应的干扰功率，

代表没有干扰源存在时候的基元的协方差矩阵；

则优化后的加权矢量为：

其中，

为对准方向(φ₀,θ₀)的响应向量。

而且，所述步骤4的第一次波束形成的结果为：

其中

为空间方位(φ,θ)处存在一个点目标且发射第l阶涡旋波时，接收水听器阵的接收信号，

为步骤3所获得的优化后的加权矢量。

而且，所述步骤5中第二次波束形成的结果为：

其中，(φ₀,θ₀)为波束对准的方向，S₁(φ,θ,1)为方位(φ,θ)处存在一个点目标且发射第l阶涡旋波时原点处的接收信号，

为复数，J_l为l阶贝塞尔函数，c为声速，k＝ω/c为波数。

本发明的优点和积极效果是：

本发明设计合理，其通过优化第一次波束形成的加权矢量，使得第一次波束形成在第二次波束旁瓣高的方位形成凹陷，降低轨道角动量三维成像声呐旁瓣级，从而达到抑制最终波束的旁瓣的目的，不仅可以提高成像精度，还能够大大减少所需的接收面阵的水听器的数量。

附图说明

图1为本发明采用的收发阵列示意图。

图2为采用常规算法仿真得到的波束图。

图3为按照本发明仿真得到的波束图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种适用于轨道角动量三维成像声呐的旁瓣抑制方法，包括以下步骤：

步骤1：对不同阶(

N为发射轨道角动量涡旋的发射换能器的个数)的轨道角动量涡旋声波的回波信号进行加权求和，以获得涡旋波的波束。

在本实施例中，考虑一个以50倍波长为边长的正方形的接收面阵，在正方形的接收面阵上随机布放64个接收水听器，以正方形的接收面阵的中心为圆心，布放一个半径为a的发射圆环阵，在发射圆环阵上均匀布放N个发射换能器，如图1所示为该收发阵列的示意图，以正X轴上的发射换能器为第一个发射基元，对发射换能器进行标号：1,2，…,N；第n个发射换能器发射的信号为：

其中，φ_n＝2πnl/N代表发射调相，l为发射涡旋波的阶数，ω为发射的频率；

利用发射圆环阵列依次发射不同阶数l的涡旋声波，对不同阶l的涡旋声波的回波信号进行加权求和，得到涡旋波的波束：

其中，(φ₀,θ₀)为波束对准的方向，S₁(φ,θ,1)为方位(φ,θ)处存在一个点目标且发射第l阶涡旋波时原点处的接收信号，

为复数，J_l为l阶贝塞尔函数，c为声速，k＝ω/c为波数。

步骤2：根据涡旋波的波束，构建旁瓣高的方位的点的集合S；

在本步骤中，设置一个阈值∈，选出步骤1得到的涡旋波的波束幅值超过该阈值的集合，并对该集合离散化得到旁瓣高的方位的点的集合S：

S＝{(φ₁,θ₁),···,(φ_J,θ_J)}。

步骤3：采用凹槽噪声算法、优化最低旁瓣法、旁瓣约束高增益优化法等算法任意一种方法，对旁瓣高的方位的点的集合S进行处理，获得优化后的加权矢量。

本实施例以凹槽噪声法为例对集合S中的方位进行处理。其在旁瓣区人为放置若干虚拟干扰源，可以获得旁瓣抑制的波束形成加权矢量。考虑在集合S的方位放置虚拟信号干扰源，则可以得到基阵数据的协方差矩阵为：

其中，

为第j个干扰源的响应向量，

是对应的干扰功率，

代表没有干扰源存在时候的基元的协方差矩阵，假设为独立高斯的白噪声。

进而获得优化后的加权矢量为：

其中，

为对准方向(φ₀,θ₀)的响应向量。

步骤4：用步骤3得到的优化后的加权矢量对接收水听器接收的信号进行第一次波束形成，第一次波束形成表示如下：

其中

为空间方位(φ,θ)处存在一个点目标且发射第l阶涡旋波时，接收水听器阵的接收信号，

为步骤3所获得的优化后的加权矢量。

本步骤利用优化后的加权矢量，使得第一次的波束形成在方位点S处的波束产生凹陷，从而达到抑制最终波束的旁瓣的目的。

步骤5：在步骤4得到的数据上进行第二次波束形成，得到遍历不同的空间方位(φ,θ)后得到最终的波束图s2(φ,θ)。

在本步骤中，进一步利用不同阶

的回波信号进行第二次波束形成，得到：

其中，(φ₀,θ₀)为波束对准的方向，S₁(φ,θ,1)为方位(φ,θ)处存在一个点目标且发射第l阶涡旋波时原点处的接收信号，

为复数，J_l为l阶贝塞尔函数，c为声速，k＝ω/c为波数。

遍历不同的空间方位得到最终的波束图。

如图2所示为采用常规算法仿真得到的波束图，图3为本方法仿真得到的波束图。仿真采用32个发射换能器发射涡旋信号，并由64个接收水听器组成的随机稀疏面阵进行回波接收，对准方向横向角和纵向角都为10°。图2为优化前的波束图，由于只采用了64个水听器接收回波信号，稀疏率仅为0.6％，但是也导致了旁瓣级较高为-9.68dB。图3为优化后的波束图，旁瓣级为-12.75dB。可以看到，采用了凹槽噪声算法，降低了轨道角动量三维成像声呐的波束的旁瓣级。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种适用于轨道角动量三维成像声呐的旁瓣抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：对不同阶的轨道角动量涡旋声波的回波信号进行加权求和，获得涡旋波的波束；

步骤2：根据涡旋波的波束，构建旁瓣高的方位的点的集合S；

步骤3：采用凹槽噪声算法、优化最低旁瓣法或旁瓣约束高增益优化法，对旁瓣高的方位的点的集合S进行处理，获得优化后的加权矢量；

步骤4：使用优化后的加权矢量对接收水听器接收的信号进行第一次波束形成；

步骤5：对步骤4得到的数据上进行加权求和获得第二次波束形成，遍历不同的空间方位后得到最终波束图。

2.根据权利要求1所述的适用于轨道角动量三维成像声呐的旁瓣抑制方法，其特征在于：所述步骤1的具体实现方法为：在正方形的接收面阵上随机布放若干个接收水听器，以正方形的接收面阵的中心为圆心，布放一个半径为a的发射圆环阵，在发射圆环阵上均匀布放N个发射换能器，以正X轴上的发射换能器为第一个发射基元，对发射换能器进行标号：1,2，…,N；第n个发射换能器发射的信号为：

其中，φ_n＝2πnl/N代表发射调相，l为发射涡旋波的阶数，ω为发射的频率；

利用发射圆环阵列依次发射不同阶数l的涡旋声波，对不同阶l的涡旋声波的回波信号进行加权求和，得到涡旋波的波束：

其中，(φ₀,θ₀)为波束对准的方向，S₁(φ,θ,1)为方位(φ,θ)处存在一个点目标且发射第l阶涡旋波时原点处的接收信号，

为复数，J_l为l阶贝塞尔函数，c为声速，k＝ω/c为波数。

3.根据权利要求1所述的适用于轨道角动量三维成像声呐的旁瓣抑制方法，其特征在于：所述步骤2的具体实现方法为：设置一个阈值∈，对涡旋波的波束归一化幅值超过该阈值的集合，对该集合离散化得到旁瓣高的方位的点的集合S：

S＝{(φ₁,θ₁),···,(φ_J,θ_J)}

这里(φ_i，θ_i)为旁瓣高于阈值∈的方位的俯仰角和方位角坐标。

4.根据权利要求1所述的适用于轨道角动量三维成像声呐的旁瓣抑制方法，其特征在于：所述步骤3的凹槽噪声算法为：在集合S的方位放置虚拟信号干扰源，得到基阵数据的协方差矩阵为：

其中，

为第j个干扰源的响应向量，

是对应的干扰功率，

代表没有干扰源存在时候的基元的协方差矩阵；

则优化后的加权矢量为：

其中，

为对准方向(φ₀,θ₀)的响应向量。

5.根据权利要求1所述的适用于轨道角动量三维成像声呐的旁瓣抑制方法，其特征在于：所述步骤4的第一次波束形成的结果为：

其中

为空间方位(φ,θ)处存在一个点目标且发射第l阶涡旋波时，接收水听器阵的接收信号，

为步骤3所获得的优化后的加权矢量。

6.根据权利要求1所述的适用于轨道角动量三维成像声呐的旁瓣抑制方法，其特征在于：所述步骤5中第二次波束形成的结果为：

其中，(φ₀,θ₀)为波束对准的方向，S₁(φ,θ,1)为方位(φ,θ)处存在一个点目标且发射第l阶涡旋波时原点处的接收信号，

为复数，J_l为l阶贝塞尔函数，c为声速，k＝ω/c为波数。

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