CN112327305B - 一种快速频域宽带mvdr声纳波束形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速频域宽带MVDR声呐波束形成方法，通过采集设备获取声纳阵元域数据，做FFT将其转换到频域，取对应滤波截止频率范围内的数据，所得数据对应的频点乘以对应相位差，构建协方差矩阵，计算输出功率。经与实际装备比对测试，本发明方法的波束宽度为CBF的1/2左右，对相干噪声的抑制能力比CBF算法提升约6‑9dB，信号检测和方位分辨性能较优，和普通宽带MVDR相比，可在单次快拍下获得稳定优化解，运算量较小，有助于改善声纳的探测性能。

Description

一种快速频域宽带MVDR声纳波束形成方法
技术领域
本发明属于水声工程领域，涉及一种快速频域宽带MVDR声纳波束形成方法。
背景技术
水声阵列信号处理主要是利用声信号的空域特性来增强信号及有效提取信号空域信息。与传统的单个定向传感器相比，水声阵列信号处理具有灵活的波束控制、高信号增益、极强的抗干扰能力及高空间分辨能力等优点。
波束形成技术是声纳信号处理的核心技术，是获取目标方位信息和进行信号检测的主要手段。波束形成技术的核心思想是将一定几何形状(如直线阵或圆阵)排列的多元基阵各阵元输出经过处理，如对多个阵元接收信号进行加权、时延或相位补偿、求和处理等，使其对预定来波方向的入射信号形成同相相加。因此，一个波束形成器可以看成是一个空间滤波器，它可以滤去空间某些方位的信号，只让指定方位的信号通过。
目前各类声纳主要采用常规波束形成技术(conventional beamforming，简称CBF)，即通过对传感器阵列在时域上的延时累加或者在频域上的移相相加获得空间增益从而获得目标方位信息。然而常规波束形成技术形成的波束分辨率、检测能力受到阵列尺寸和工作频率所决定的瑞利极限限制而无法提升，主要体现在以下三个方面的问题：
(1)波束宽
根据CBF原理，在基阵孔径和工作频率一定的情况下，波束宽度是无法进一步改进的。在目标数量较少时该问题不突出，然而在多目标时问题显得突出。波束宽度较宽将极大程度影响多目标下的噪声听测，容易导致混合目标听测，较大程度影响听测效果，难以做出准确识别。
(2)旁瓣高
CBF的旁瓣高度约为主瓣的10％，根据CBF原理，旁瓣是无法避免的。旁瓣的存在容易导致假目标的产生，难以区分是旁瓣还是弱目标，因此对于强目标干扰下的弱目标检测尤其不利。
(3)相干噪声抑制能力弱
CBF的基本原理是在假定各路水听器获取的目标信号是相关的，而他们的背景噪声是不相关的，该假定与大多数的实际情况是基本吻合的，因此CBF总体效果不错。然而，海上实际情况表明，在某些情况下，各路水听器的背景噪声具有一定的相关性，此时CBF不再是最佳的检测手段。
提高波束形成干扰抑制能力的一种有效措施是采用自适应波束形成方法，其中最为典型的是Capton提出的最小方差无畸变响应(Minimum Variance DistortionlessResponse Beamforming,MVDR)波束形成技术(Capon J.High-resolution frequency-wavenumber spectrum analysis.Proceedings of the IEEE 1969；57(8):1408-18.)。它在保持波束指向方向信号无失真的条件下，通过使基阵输出功率最小来实现对干扰的有效抑制，具有较好的方位分辨能力和较强的干扰抑制能力，尤其在低信噪比条件下，具有良好的强相关噪声抑制能力。
宽带信号的MVDR频域实现方法(简称频域MVDR)为首先将数据进行分块(每块数据记为一次快拍)，然后将每次快拍内的数据通过傅里叶变换分解为多个窄带，在每个窄带上利用多次快拍估计阵列协方差矩阵，利用该协方差矩阵估计优化权向量得到窄带上的优化输出，最后综合各个窄带的输出结果。对于固定短阵列而言，频域MVDR在实际应用中效果并不理想，主要表现在①由于频域MVDR方法为获得满秩和稳定的协方差矩阵估计，需要对接收数据进行多次分块处理，因而要求信号平稳时间较长。对于方位快变目标而言，在该时间段内，方位变化可能达到几个波束宽度，而自适应波束形成方法的权向量不能足够快地适应非平稳信号时，其波束形成性能将急剧降低(Vorobyov SA,Gershman AB,Luo ZQ,MaN.Adaptive beamforming with joint robustness against mismatched signalsteering vector and interference nonstationarity.IEEE Signal ProcessingLetters 2004；11(2 Part 1):108-11.)。而当快拍数较少时，协方差矩阵估计不稳定，难以获得稳定的优化权向量(Reed IS,Mallet J,Brennan L.Rapid convergence rate inadaptive antennas.IEEE Trans.Aerosp.Electron.Syst 1974；10.)。②在存在干扰源扰动时，MVDR不能很好的将零点对准干扰方向，将导致弱信号检测能力下降(Song H,Kuperman WA,Hodgkiss WS,Gerstoft P,Kim JS.Null broadening with snapshot-deficient covariance matrices in passive sonar.IEEE Journal of OceanicEngineering 2003；28(2):250-61.)。
总结近年来有关MVDR方法的研究成果，基本都是围绕在减小频域MVDR方法对快拍数的需求上，即如何在短数据条件下获得稳定的优化权向量估计。虽然以上方法都在一定程度上作出了改善，但由于频域MVDR方法本身难以获得足够多的快拍次数，因此在改善的同时也付出了代价。然而，由于MVDR方法具有良好的干扰和噪声抑制能力，在低信噪比条件下也能获得良好的方位估计性能，这对于被动声纳探测而言，无疑具有重要的军事意义，因此，如何有效改善目前的频域MVDR方法在短数据条件下的方位估计性能，具有重要的现实意义。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种形成波束宽度窄、对相干噪声的抑制能力强、信号检测和方位分辨性能高的快速频域宽带MVDR声纳波束形成方法，以提升声纳对水下目标的探测能力。
本发明的技术方案是：
步骤一：通过采集设备获取声纳M路N点阵元域数据，其中，N≥32M且为2的整次幂；
步骤二：将M路信号xm(n)，m＝1，2，...M，n＝1，2，...N做N点的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，简称FFT，)将xm(n)转换到频域，取对应滤波截止频率范围[NL,NH]内的数据：X(fn)＝fft[xm(n)]；
设与[fL,fH]对应的fn分别为[NL,NH]，则有：NL＝fL/fs×N，NH＝fH/fs×N；
只取滤波频段内数据并进行处理得到：X'(fn)＝2·X(fn)NL＜n＜NH；
步骤三：将步骤二所得X'(fn)对应的频点乘以对应相位差exp(j·2π·fn·τm(θi))，即Y(fn)＝X'(fn)exp[j2πfnτm(θi)]；
式中，τm(θi)是第i个信号源到达第m号阵元相对于参考阵元的时间延迟，它只和目标信号所处的方位有关；
步骤四：利用步骤三得到数据Y(fn)，构建协方差矩阵
Figure GDA0003792495800000031
Figure GDA0003792495800000032
其中的上标H表示转置共轭；
步骤五：根据步骤四得到的协方差矩阵
Figure GDA0003792495800000033
计算输出功率P(θi)：
Figure GDA0003792495800000034
其中I＝[1，1，…，1],上标T表示转置。
本发明的优点：
经与实际装备比对测试，本发明方法的波束宽度为CBF的1/2左右，对相干噪声的抑制能力比CBF算法提升约6-9dB，信号检测和方位分辨性能较优；与普通宽带MVDR相比，可在单次快拍下获得稳定优化解，运算量较小，有助于改善声纳的探测性能。
附图说明
图1是基于快速频域MVDR算法的声纳波束形成方法的流程图。
图2是不同信噪比下本发明方法处理结果与CBF处理结果对比图。
图3是利用本发明方法处理7000s海上实际声纳数据的结果与CBF结果对比图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，以下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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
步骤一：仿真生成16路4096点阵元域数据。均匀间隔直线线列阵，阵元数目N为16，阵元间距为0.07米，存在2个目标；目标1信号为宽频色噪声，入射角为70度，目标强度10dB保持不变；目标2信号为宽频色噪声，入射角为40-100度变化，目标强度10dB保持不变；采样频率为20kHz，处理带宽为3kHz-8kHz，背景噪声为非相干高斯白噪声。
步骤二：将16路信号xm(n)，m＝1，2，...16，n＝1,2，...N做4096点的FFT，将xm(n)转换到频域X(fn)＝fft[xm(n)]，取对应滤波截止频率范围[614,1638]内的数据进行处理得到：X'(fn)＝2·X(fn)614＜n＜1638；
步骤三：将步骤二所得X'(fn)对应的频点乘以对应相位差exp(j·2π·fn·τm(θi))，即Y(fn)＝X'(fn)exp[j2πfnτm(θi)]；
步骤四：利用步骤三得到数据Y(fn)，构建协方差矩阵
Figure GDA0003792495800000041
Figure GDA0003792495800000042
步骤五：根据步骤四得到的协方差矩阵
Figure GDA0003792495800000043
计算输出功率P(θi)：
Figure GDA0003792495800000044
分别对比分析不同信噪比时CBF方法与本发明方法的处理结果，如图2所示。从图中可以看出：
(1)在信噪比较低时，CBF方法与本发明方法的性能基本相当；在信噪比较高时，快本发明方法的性能明显变好，波束明显变窄，背景抑制能力明显优于CBF算法。
(2)几乎所有条件下，本发明方法的结果输出曲线低于CBF算法，体现了MVDR算法在最小功率输出约束条件下的自适应加权效果，其性能不低于CBF算法。
实施例2：
步骤一：通过采集设备获取实际圆阵声纳32路4096点阵元域数据，采样率40kHz。
步骤二：将32路信号xm(n)，m＝1，2，...32，n＝1,2，...N做4096点的FFT，将xm(n)转换到频域X(fn)＝fft[xm(n)]，取对应滤波截止频率范围[1228,3276]内的数据进行处理得到：X'(fn)＝2·X(fn)1228＜n＜3276
步骤三：将步骤二所得X'(fn)对应的频点乘以对应相位差exp(j·2π·fn·τm(θi))，即Y(fn)＝X'(fn)exp[j2πfnτm(θi)]
步骤四：利用步骤三得到数据Y(fn)，构建协方差矩阵
Figure GDA0003792495800000051
Figure GDA0003792495800000052
步骤五：根据步骤四得到的协方差矩阵
Figure GDA0003792495800000053
计算输出功率P(θi)。
Figure GDA0003792495800000054
分别利用本发明方法和CBF处理7000s海上实际声纳数据，其结果如图3所示。从图中可以看出：本发明方法形成的波束宽度是CBF的1/2左右，方位分辨性能较优，对于多目标分辨以及多目标下的弱目标探测具有帮助，并且表现出较好的检测能力。
对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种快速频域宽带MVDR声纳波束形成方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：通过采集设备获取声纳M路N点阵元域数据；
步骤二：将M路信号xm(n)，m＝1，2，...M，n＝1，2，...N做N点的快速傅里叶变换，将xm(n)转换到频域，取对应滤波截止频率范围[NL，NH]内的数据：X(fn)＝fft[xm(n)]；
设与[fL,fH]对应的fn分别为[NL,NH]，则有：NL＝fL/fs×N，NH＝fH/fs×N；
只取滤波频段内数据并进行处理得到：X'(fn)＝2·X(fn)NL＜n＜NH；
步骤三：将步骤二所得X'(fn)对应的频点乘以对应相位差exp(j·2π·fn·τm(θi))，即
Y(fn)＝X'(fn)exp[j2πfnτm(θi)]；
式中，τm(θi)是第i个信号源到达第m号阵元相对于参考阵元的时间延迟，它只和目标信号所处的方位有关；
步骤四：利用步骤三得到数据Y(fn)，构建协方差矩阵
Figure FDA0003792495790000011
Figure FDA0003792495790000012
其中的上标H表示转置共轭；
步骤五：根据步骤四得到的协方差矩阵
Figure FDA0003792495790000013
计算输出功率P(θi)：
Figure FDA0003792495790000014
2.如权利要求1所述的快速频域宽带MVDR声纳波束形成方法，其特征在于：步骤一中N≥32M且为2的整次幂。
3.如权利要求1所述的快速频域宽带MVDR声纳波束形成方法，其特征在于：步骤五中的I＝[1，1，…，1]，上标T表示转置。
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