CN112213602A - 一种改进的波束形成多远十字阵定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进的波束形成多远十字阵定位方法，解决了深海环境定位精度低、成本高、分辨性能差的弊端，其技术方案要点是包括有以下步骤：多个阵元于水下进行十字阵布局，以接收水下超声信号；通过含有切比雪夫加权函数的常规波束形成算法对十字阵中传输的超声信息进行处理；通过线性约束最小方差准则对常规波束形成改进，并通过改进后的常规波束形成处理；将改进后及原始常规波束形成处理的结果进行比对，完成故障点的水下定位，本发明的一种改进的波束形成多远十字阵定位方法，能优化主瓣宽度、改善分辨率，多种结合后定位精度更高。
Description
技术领域
本发明涉及声学信号处理，特别涉及一种改进的波束形成多远十字阵定位方法。
背景技术
对故障点的定位在国内外都有很多的研究，不同的领域方法各不相同，在信号处理领域中，水下被动定位的方法有很多，匹配场定位技术，水下GPS、传感器网络等、能跟踪多目标的中远程长基线定位声呐、水下深潜系统、多波束测探、波束旋转、自适应噪声抵消系统等。在波束定位中，有常规波束形成法和自适应波束形成法。
基线定位系统，测量时间差，存在较大误差，匹配场定位技术是从常规基线定位系统中分离而出，分为前向和虚拟时反定位技术，两者的原理基本相同由于他们利用了声场的全部信息，在搭建的匹配场，在匹配场中使用虚拟声源搜索定位。缺点是水下环境的不确定性，不能时刻得到匹配场，在深海环境中很难实现此方法；水下GPS在费用成本以及能耗方面较大、水下传感器网络定位，在成本方面降低，但是能耗大；常规波束形成法对加权窗函数选择很重要，但无论怎么选择，他的主瓣宽度依然较大，影响精度，且分辨性能差，还有待改进的空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的波束形成多远十字阵定位方法，能优化主瓣宽度、改善分辨率，多种结合后定位精度更高。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种改进的波束形成多远十字阵定位方法，包括有以下步骤：
多个阵元于水下进行十字阵布局，以接收水下超声信号；
通过含有切比雪夫加权函数的常规波束形成算法对十字阵中传输的超声信息进行处理；
通过线性约束最小方差准则对常规波束形成改进，并通过改进后的常规波束形成处理；
将改进后及原始常规波束形成处理的结果进行比对，完成故障点的水下定位。
作为优选，十字阵定位具体为：
多个阵元分布形成两个直线阵分别沿x和y轴排列，两个直线阵阵元个数分别为Mx和My；
将两个直线阵数据作为一个整体阵列进行处理，通过两个直线阵的方向图相加得到整体方向图
其中，
作为优选，常规波束形成算法具体为：
对于阵元间隔为d的均匀分布线阵列，阵列基阵由M个特性相同的传感器组成，信号相对于基阵法线方向的入射角为θ时，在两个相邻阵元间产生的时间延迟为
式中，λ为波长，c是角频率为ω的波前的传播速度；以基阵端头第一个阵元为参考阵元，则第i个阵元到参考阵元之间的时延为
τi＝(i-1)τ0
通过加权求和在某一个方向上补偿各阵元之间的时延以形成一个主波瓣，常规波束形成器的加权向量为：
采用切比雪夫窗进行计算，当M为偶数时，
当M为奇数时，
其中，
γ为主旁瓣的幅度比，其与最大旁瓣级的关系为：D＝-20logγ；
通过协方差矩阵求取输出功率谱，设定N个等时间间隔的采样，通过N个时刻的采样数据得到基阵的采样协方差矩阵：
基阵上的功率谱可表示为：
其中γ＝ωτ0是空间角频率，ω[i]加窗函数。
作为优选，线性约束最小方差准则具体为：：
当期望信号和方向都已知时，使输出功率最小可以保证信号的良好接收，通过LCMV波束形成技术让输出功率达到最小来抑制干扰
加约束，以使得滤波器对期望信号的响应为常数，即wHa0＝C，其中a0为期望信号的导向矢量，故最小方差准则为：
通过线性约束最小方差准则，对比用窗函数的常规波束形成方向图和频率谱，提升分辨率。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
在水声环境中，接收阵元接收信号信噪比低，不利于水声定位精度的提升，而利用波束成形技术，可以抵消干扰，提高接收信噪比。常规波束形成中在采用延时加权求和法，加权窗函数采用切比雪夫权，对比使用线性约束最小方差(LCMV)准则，减少了主瓣宽度，增加了定位精度，改善分辨性能。
附图说明
图1为本方法的流程示意图；
图2为阵元定位流程图；
图3为十字阵分布图；
图4为CBF算法流程示意图；
图5为常规CBF用窗函数的CBF方向图和频谱图；
图6为改进后的CBF方向图和频谱图；
图7为采用改进CBF法模拟定位示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
根据一个或多个实施例，公开了一种改进的波束形成多远十字阵定位方法，如图1所示，包括有以下步骤：
多个阵元于水下进行十字阵布局，以接收水下超声信号；
通过含有切比雪夫加权函数的常规波束形成算法对十字阵中传输的超声信息进行处理；
通过线性约束最小方差准则对常规波束形成改进，并通过改进后的常规波束形成处理；
将改进后及原始常规波束形成处理的结果进行比对，完成故障点的水下定位。
为了增加常规波束形成的精确性，再选用切比雪夫权的同时，在对比采用线性约束最小方差(LCMV)准则对常规波束形成改进，来模拟实现在深海环境中，海底电力电缆局放点的故障定位。改进后的常规波束形成(Conventional Beamforming-CBF)处理，用来形成阵列的空间指向性，从而达到对接收信号进行空域滤波的目的，获得空间处理增益，提高信噪比，改善测量精度，能提高鲁棒性，同时降低能耗，改善分辨性能。
常规波束形成(CBF)可以看做是一个延时的求和处理过程，其目的就是形成一个波束并将其扫描到一个特定的方向上。这一概念基于波传播现象的一个物理本质，即对于平面波而言基阵中不同位置上的阵元接收到的是同一个信号，但是由于传播路径长短不同，相对于某一参考点，不同阵元上的信号有不同的延迟。如果在每个阵元上插入一个延迟量来精确补偿传播带来的时延量，将各个阵元上的延迟信号求和后得到的输出将形成一个标量输出。
对水声定位算法，如图2所示定位流程图，通过流程图可知，若想定位一个故障点，首先要先分布各个阵元，采用多个阵元来接收声信号。
如图3所示，十字阵，两个直线阵分别沿x和y轴排列。阵元个数分别为Mx和My，将两个线阵数据作为一个整体阵列进行处理，可以得到方向图为两个线阵的方向图相加：
其中：
如图4所示，给出了CBF算法的流程图，根据流程图确定各个参数。
对于阵元间隔为d(以波长为度量单位)的均匀分布线列阵，假设基阵由M个特性相同的传感器组成。但信号相对于基阵法线方向的入射角为θ时，在两个相邻阵元间产生的时间延迟为
式中，c是角频率为ω的波前的传播速度。以基阵端头第一个阵元为参考阵元，则第i个阵元到参考阵元之间的时延为
τi＝(i-1)τ0
实际中，τi的值可以为正也可以为负分别代表第i个阵元上的信号滞后或超前于参考阵元的两种情况。
因此，为了在某一方向上补偿各阵元之间的时延以形成一个主波瓣，常规波束形成器的加权向量可以构造为
此处采用切比雪夫窗：
切比雪夫窗：
当M为偶数时，计算公式为：
当M为奇数时，计算公式为：
其中，
γ为主旁瓣的幅度比，它与最大旁瓣级的关系为：D＝-20logγ。
切比雪夫具有两个特点：(1)在给定的任意旁瓣级情况下，切比雪夫权能使主瓣宽度最窄；(2)在给定主瓣宽度的条件下，切比雪夫权能使旁瓣级最低。
理想条件下的常规波束形成法的输出功率谱，理想化条件是集总平均意义上的基阵协方差矩阵R是精确已知的。在实际中，只能得到基阵输出端的有限个测量，因此用来求输出功率谱的是协方差矩阵的估计。
设定N个等时间间隔的采样，基阵上的采样协方差矩阵将由这N个时刻上的采样数据得到，即
则基阵上的功率谱可表示为
其中γ＝ωτ0是空间角频率，ω[i]加窗函数。
线性约束最小方差(LCMV)准则：
当期望信号和方向都已知时，使输出功率最小可以保证信号的良好接收。LCMV波束形成技术让输出功率达到最小来抑制干扰。
若不加约束，则功率极小值在ω＝0时取得，因而没有意义。因此必须加上约束，常用的约束方法是保证滤波器对期望信号的响应为常数,即wHa0＝C，其中a0为期望信号的导向矢量。从而准则写为：
应用线性约束最小方差(LCMV)准则，也起到了窗函数效果，可以对比用窗函数的CBF方向图和频率谱如图5和图6，效果比用窗函数更好，提升了自身的分辨率。
基于以上，选取17个阵元，采用改进后的CBF法，如图7所示，在十字阵系统通过MATLAB实现最后模拟定位。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (4)
1.一种改进的波束形成多远十字阵定位方法，其特征是，包括有以下步骤：
多个阵元于水下进行十字阵布局，以接收水下超声信号；
通过含有切比雪夫加权函数的常规波束形成算法对十字阵中传输的超声信息进行处理；
通过线性约束最小方差准则对常规波束形成改进，并通过改进后的常规波束形成处理；
将改进后及原始常规波束形成处理的结果进行比对，完成故障点的水下定位。
2.根据权利要求1所述的改进的波束形成多远十字阵定位方法，其特征是，十字阵定位具体为：
多个阵元分布形成两个直线阵分别沿x和y轴排列，两个直线阵阵元个数分别为Mx和My；
将两个直线阵数据作为一个整体阵列进行处理，通过两个直线阵的方向图相加得到整体方向图
其中，
3.根据权利要求2所述的改进的波束形成多远十字阵定位方法，其特征是，常规波束形成算法具体为：
对于阵元间隔为d的均匀分布线阵列，阵列基阵由M个特性相同的传感器组成，信号相对于基阵法线方向的入射角为θ时，在两个相邻阵元间产生的时间延迟为
式中，λ为波长，c是角频率为ω的波前的传播速度；以基阵端头第一个阵元为参考阵元，则第i个阵元到参考阵元之间的时延为
τi＝(i-1)τ0
通过加权求和在某一个方向上补偿各阵元之间的时延以形成一个主波瓣，常规波束形成器的加权向量为：
采用切比雪夫窗进行计算，当M为偶数时，
当M为奇数时，
其中，
γ为主旁瓣的幅度比，其与最大旁瓣级的关系为：D＝-20logγ；
通过协方差矩阵求取输出功率谱，设定N个等时间间隔的采样，通过N个时刻的采样数据得到基阵的采样协方差矩阵：
基阵上的功率谱可表示为：
其中γ＝ωτ0是空间角频率，ω[i]加窗函数。
4.根据权利要求3所述的改进的波束形成多远十字阵定位方法，其特征是，线性约束最小方差准则具体为：：
当期望信号和方向都已知时，使输出功率最小可以保证信号的良好接收，通过LCMV波束形成技术让输出功率达到最小来抑制干扰
加约束，以使得滤波器对期望信号的响应为常数，即wHa0＝C，其中a0为期望信号的导向矢量，故最小方差准则为：
通过线性约束最小方差准则，对比用窗函数的常规波束形成方向图和频率谱，提升分辨率。
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