CN112379356A - 一种多级可控恒低旁瓣自适应波束的形成方法 - Google Patents

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CN112379356A CN202011033643.8A CN202011033643A CN112379356A CN 112379356 A CN112379356 A CN 112379356A CN 202011033643 A CN202011033643 A CN 202011033643A CN 112379356 A CN112379356 A CN 112379356A
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蔡志明
姜可宇
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Abstract

本发明提供一种多级可控恒低旁瓣自适应波束的形成方法，包括如下步骤：步骤1：建立坐标系，并设定旁瓣约束线，形成常规波束图；步骤2：在观察扇面内均匀分布若干个虚拟干扰源；步骤3：形成无干扰时的初始化常规波束图；步骤4：确定初始化波束的主瓣区域和旁瓣区域；步骤5：将旁瓣区域波束高度与旁瓣约束线比较，自适应调整假定的干扰源的强度；步骤6：计算最优自适应权向量，遍历预成波束指向、关心的频点，并存储离线权值；步骤7：上传离线权值，在实时系统中导入权值文件，实时计算时按需按序读出，完成恒低旁瓣自适应波束形成。本发明适用于水声工程在线计算、计算量小、能同时抑制强干扰和多目标窜扰的恒低旁瓣自适应波束形成。

Description

一种多级可控恒低旁瓣自适应波束的形成方法
技术领域
本发明涉及水声工程技术领域，具体涉及一种多级可控恒低旁瓣自适应波束的形成方法。
背景技术
现有技术中，外界干扰严重制约着探测系统的目标探测性能。特别是水下探测系统，由于水下环境复杂，一定强度的干扰就会使声呐系统性能受到严重影响。因此， 为改善探测性能而解决干扰抑制问题成为水声工程领域大量的科学家和工程技术人 员亟待解决的技术问题。进一步的，常规波束形成的第一阶旁瓣通常都比较高，约为 -13.5dB；在阵元数较多时，其它旁瓣级从-13.5dB逐渐下降至约-40dB。如果不做干 扰抑制，在旁瓣区域出现的强干扰会有较强残余能量，会降低输出信号干扰噪声比； 如果干扰较多时，输出信号干扰噪声比会降得很低。因此，多目标窜扰抑制问题在水 声工程中也显得尤为重要，并获得了该领域专家的高度重视。目前，强干扰抑制与多 目标窜扰抑制的尝试解决方法很多，如自适应噪声抵消技术、自适应波束形成技术、 后置波束形成干扰抵消器技术、逆波束形成技术等，这几种方法基本可以抵消干扰最 强方位的噪声强度，但其所形成零陷的方位宽度较窄，不足以完全抵消强干扰由于多 途效应所形成的空间角扩展。目前国内尚无较好的同时抑制强干扰和多目标窜扰的解 决方案。
因此，研发一种多级可控恒低旁瓣自适应波束的形成方法用于解决上述技术问题成为一种必需。
发明内容
本发明目的是提供一种多级可控恒低旁瓣自适应波束的形成方法，以便于能同时抑制强干扰和多目标窜扰。
本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
本发明提供一种多级可控恒低旁瓣自适应波束的形成方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：建立以阵列轴向为x轴，x轴的正向为0°的坐标系，并设定多级可调 的旁瓣约束线，覆盖整个观察扇面，形成无干扰时的常规波束图，并归一化到1；
步骤2：在所述观察扇面内均匀分布若干个虚拟干扰源；所述虚拟干扰源的初始强度均分别设置为1；
步骤3：形成无干扰时的初始化常规波束图，将波束峰值归一化到1；
步骤4：确定初始化波束的主瓣区域和旁瓣区域；其中，寻找所述常规波束图波 束主瓣左、右第一个零点，位于两个零点中间的区域为主瓣区域，位于所述主瓣区域 两侧的区域为旁瓣区域；
步骤5：将旁瓣区域波束高度与旁瓣约束线比较，自适应调整所述假定的干扰源的强度；其中包括：在各虚拟干扰源处，比较波束图与旁瓣约束线的高度，自动调整 虚拟干扰源的强度，并以此虚拟干扰源为背景得到新的权值和新的波束图，再与旁瓣 约束线比较直至收敛退出；
步骤6：将干扰源数据为基础计算最优自适应权向量，遍历预成波束指向、关心 的频点，并存储离线权值；其中包括：做预成波束指向、关心的频点的两维循环，得 到离线权值矩阵，并以存储；
步骤7：在水声工程的实时系统中上传所述离线权值，在实时系统中导入权值文件，在进行波束形成时，实时计算时按需按序读出，完成恒低旁瓣自适应波束形成。
优选的，所述旁瓣约束线由多段折线组成；所述设定多级可调的旁瓣约束线的具体操作为：不同方位设定不同强度的凹陷。
优选的，在所述步骤1中不同方位设定不同强度的凹陷的具体操作包括：在干扰强的方位设定深的凹陷，在干扰次强的方位设定较浅的凹陷，在没有强干扰的方位仅 约束最高旁瓣级；所述干扰强的方位是指已知存在强干扰的方位，以干扰为中心左右 各5度的范围；所述干扰次强的方位是指强干扰的临近波束，既干扰较弱或存在强干 扰波束间窜扰的方位，即在所述干扰强的方位两侧各分别延伸10度的范围；所述没 有强干扰的方位是指没有强干扰及其窜扰的方位。
优选的，所述步骤2中：在整个观察角内，均匀分布NInterf个假定的干扰源，方 位分别为
Figure BDA0002704542100000021
m＝1…NInterf，初始强度设为1；NInterf的数值大于按度计的角度数； 调整权值时每度至少两个干扰源。
优选的，对于均匀线阵的180°观察空间设定NInterf＝400。
优选的，常规波束形成的所述常规波束图，由均匀加权权值与阵列流形共轭相乘得到。
优选的，在观察扇面内每一度布置一个等强度干扰源；调整权值每度至少两个干扰源。
优选的，在步骤5中，按搜索角度开始循环包括如下步骤：
步骤5.1：观察扇面范围内以0.5°(可调整)为搜索步幅，将波束图数值与预设 旁瓣约束线比较，并自动调整虚拟干扰源强度；
步骤5.2：调整虚拟干扰源强度之后，构造虚拟干扰协方差矩阵，并以此计算得 到最佳权矢量；
步骤5.3：计算迭代过程中的波束图；
步骤5.4：判断是否符合收敛条件，若收敛则退出；否则重复步骤5.1、步骤5.2、 步骤5.3，直至算法收敛，退出。
优选的，按搜索角度开始循环还包括：
步骤5.4：退出迭代循环后得到的权值仅为某一个频点、某一个方向的一个权值；将所述权值做预成波束指向、关心的频点的两维循环，以得到离线权值矩阵，并存储。
优选的，在所述步骤5中，开始迭代过程，自动调整干扰源的强度；
第k+1次迭代时的干扰源强度为
Figure BDA0002704542100000031
其中，
Figure BDA0002704542100000032
K为一常量因子，称为迭代增益；
Figure BDA0002704542100000033
表达式如下：
Figure BDA0002704542100000034
所述步骤6具体为：在步骤5得到虚拟干扰源强度之后，构造虚拟干扰协方差矩 阵Ru如下：
Figure BDA0002704542100000035
自适应阵能根据干扰强度和方位自动调整权矢量，最佳权矢量可以通过下式获得
Figure BDA0002704542100000036
式中，μ为任意非零标量，ui为干扰的幅度，设期望信号的方位角为θ0，则a0由
Figure BDA0002704542100000041
计算获得；
根据计算得到的权值，计算迭代过程中的波束图D(θ,k+1)，计算 [θL(k+1),θR(k+1)]；
所述步骤5和步骤6中还包括：在迭代循环收敛前，重复执行步骤5和步骤6， 直至收敛：D(θ,k)的旁瓣与期望得到的旁瓣
Figure BDA0002704542100000042
基本吻合时，即退出循环；退出迭 代循环后得到的权值为某一个频点、某一个方向的权值；再做预成波束指向、关心的 频点等两维的循环，得到离线权值矩阵，并以文件形式存储；
所述步骤7中所述实时系统为DSP构建的声呐系统。
本发明的特点及优点是：本发明公开了一种多级可控恒低旁瓣自适应波束的形成方法，类属于旁瓣形状多级可控的自适应强干扰和多目标窜扰抑制技术——恒低旁瓣 技术，其技术优点在于：(1)在强干扰方向预置多级宽且深的凹口，越靠近强干扰 方向，凹陷越深；(2)预成主波束邻域采取控制最高旁瓣级的方式获取局域等高旁 瓣，使得最高旁瓣级比均匀线阵的第一旁瓣级低；(3)强干扰方向凹陷边沿到等高 旁瓣边沿之间的区域、强干扰方向凹陷边沿到临近的观察扇面边沿不做限制，这些区 域的波束图形状类似均匀线阵波束图但旁瓣略高；(4)所有计算均离线完成，没有 在线优化计算负担。本发明的多级可控旁瓣不仅可用于抑制强干扰，且对观察扇面内 的多目标窜扰具有良好的抑制作用。
进一步的，本发明在不同方位设定不同强度的凹陷，在干扰强的方位设定深的凹陷，在干扰次强的方位设定较浅的凹陷，在没有强干扰的方位仅约束最高旁瓣级所需 的线性约束自由度少，可以提供更多的自适应自由度来抑制干扰和噪声，使得自适应 算法收敛更好更快。此外，本发明通过上述简单方法一方面实现了宽凹陷，即使干扰 方位发生些许偏差也不影响干扰抑制效果；另一方面还能同时抑制强干扰和多目标窜 扰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图 获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中拖船、拖线阵示意图；
图2为本发明实施例1中统一坐标系示意图；
图3为本发明实施例1中常规波束形成波束图；
图4为本发明实施例1中多级可调的旁瓣约束线示意图；
图5为本发明实施例1中恒低旁瓣自适应波束图；
图6为本发明实施例1中不同缆长条件下拖船干扰抑制效果示意图；
图7为本发明实施例1中多目标窜扰抑制效果示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参 考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长 度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、 “竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、 “轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位 置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件 必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该 特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接， 或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中 间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可 以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
步骤S1，如图1所示为强干扰(拖船)与拖线阵的位置、角度示意图，正常行 驶时，拖船位于拖线阵0°-30°的范围内。
步骤S2，以阵列的轴向为参考方向，0°指向拖船方向，坐标示意图如图2所示。
步骤S3，在无干扰时，形成常规波束图，不失一般性，假设指向60°，并将最 大值归一化到1，如图3所示(图中：阵元间距半波长，主瓣指向60°)。
步骤S4，在0°-180°范围内布置至少180个等强度干扰源，为保证精细化调整 权值应每度至少两个干扰源，不妨设定干扰源数目为400。
步骤S5，设定多级可调的旁瓣约束线，在拖船干扰强的方位设定深的凹陷，次 强的方位设定较浅的凹陷，在大概率没有拖船干扰的方位仅约束最高旁瓣级(旁瓣高 度)。首先在0°-10°扇面采用深凹陷-60dB、10°-30°范围内-50dB；其次在30° -180°扇面采用第三级约束，即约束最高旁瓣级不大于-30dB，如图4所示。
步骤S6，寻找常规波束图波束主瓣左、右第一个零点，分别记为θL(0)、θR(0)， 主瓣区域记为[θL(0),θR(0)]。
步骤S7，开始迭代，迭代变量k：按搜索角度开始循环，0°-180°范围内0.5° (可调整)为搜索步幅，将波束图数值与预设旁瓣约束线比较，并自动调整干扰强度：
Figure BDA0002704542100000061
其中，
Figure BDA0002704542100000062
K为一常量因子，称为迭代增益；
Figure BDA0002704542100000063
表达式如下
Figure BDA0002704542100000064
步骤S8，步骤S7得到干扰源强度之后，构造干扰协方差矩阵，并以此计算得到 最佳权矢量
Figure BDA0002704542100000065
步骤S9，计算迭代过程中的波束图：
D(θ,k)＝|wHa(θ)|
步骤S10，判断是否收敛：D(θ,k)的旁瓣与期望得到的旁瓣
Figure BDA0002704542100000066
基本吻合时， 即可退出循环；否则，k＝k+1，返回步骤S7，开始重复计算，直至退出循环。
步骤S11，退出迭代循环后得到的权值为某一个频点、某一个方向的一个权值， 权值的幅度响应如图5所示，依此得到的波束图如图6所示。
步骤S12，再做预成波束指向、关心的频点的两维循环，得到离线权值矩阵，并 以文件形式存储。
步骤S13，在实时系统中导入权值文件(不同的系统导入方法不一样，在此不做 约束)，在进行波束形成时，根据需要按需按序读出，完成恒低旁瓣自适应波束形成， 其拖船干扰抑制效果如图6所示，多目标窜扰如图7所示。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上进一步提供一种能同时抑制强干扰和多目标窜扰的多级可控恒低旁瓣自适应波束形成方法，包括如下步骤：
(1)设定多级可调的旁瓣约束线，可以是多段折线组成，覆盖整个观察空扇面；
(2)整个观察角内均匀分布若干个假定的干扰源，初始强度设为1；
(3)形成无干扰时的初始化常规波束图，波束峰值归一化到1；
(4)确定初始化波束的主瓣区域、旁瓣区域；
(5)迭代过程1：旁瓣区域波束高度与旁瓣约束线比较，自适应调整假定干扰 源的强度；
(6)迭代过程2：干扰源数据为基础计算最优自适应权向量，遍历预成波束指 向、关心的频点，并存储离线权值；
(7)在水声工程的实时系统中上传离线权值，实时计算时按需按序读出，完成 恒低旁瓣自适应波束形成。
较佳地，所述步骤(1)具体为：在强干扰强的方位设定深的凹陷，次强的方位 设定较浅的凹陷，在大概率没有强干扰的方位仅约束最高旁瓣级(旁瓣高度)。因此， 多级可调的旁瓣约束线可以理解为：不同方位根据需求设定不同强度的凹陷，且该强 度在预设时可根据需求调整。
较佳地，所述步骤(2)具体为：在整个观察角内，均匀分布NInterf个假定的干扰 源，方位分别为
Figure BDA0002704542100000071
m＝1…NInterf，初始强度设为1。NInterf的数值应大于按度计的 角度数，为保证精细化调整权值应每度至少两个干扰源，例如，对于均匀线阵的180° 观察空间不妨设定NInterf＝400。
较佳地，所述步骤(3)具体为：采用常规波束形成计算获得无干扰时的常规波 束图，并将波束峰值归一化到1。以均匀线阵为例介绍算法流程，可自然扩展到任意 阵型。对于间距为d的N元均匀线阵，其常规波束图为：D(θ)＝|wHa(θ)|，其中： 阵列流形
Figure BDA0002704542100000072
ω0＝2πf，f为信号频率，c为声速，θ为以阵列轴向为0°计的信号入射角；权向 量w＝[w1,w2,…,wN]T为一N×1的列向量，有
Figure BDA0002704542100000081
当θ由0°至180°扫描，计算波束形成器的输出，形成一幅谱图，横坐标为方位角，纵坐标为输出功率或幅度，我们称这样的图为空间谱图，其极大值对应的角度即为信 号入射的方向(来波方向或波达方向)。得到波束图D(θ)后，再归一化：
Figure BDA00027045421000000810
较佳地，所述步骤(4)具体为：寻找主波束左、右第一个零点，分别记为θL(0)、 θR(0)，主瓣区域记为[θL(0),θR(0)]。括号中的“0”表示初始化数值。
较佳地，所述步骤(5)具体为：开始迭代过程。自动调整干扰源的强度。第k+1 次迭代时的干扰源强度为
Figure BDA0002704542100000082
其中，
Figure BDA0002704542100000083
K为一常量因子，称为迭代增益；
Figure BDA0002704542100000084
表达式如下
Figure BDA0002704542100000085
较佳地，所述步骤(6)具体为：步骤(5)得到虚拟干扰源强度之后，构造虚拟 干扰协方差矩阵Ru如下：
Figure BDA0002704542100000086
自适应阵能根据干扰强度和方位自动调整权矢量，最佳权矢量可以通过下式获得
Figure BDA0002704542100000087
式中，μ为任意非零标量，ui为干扰的幅度，设期望信号的方位角为θ0，则a0可由
Figure BDA0002704542100000088
计算获得。
根据计算得到的权值，计算迭代过程中的波束图D(θ,k+1)，计算 [θL(k+1),θR(k+1)]。
较佳地，所述步骤(5)、步骤(6)还隐含操作：在迭代循环收敛前，重复执行 步骤(5)和步骤(6)，直至收敛：D(θ,k)的旁瓣与期望得到的旁瓣
Figure BDA0002704542100000089
基本吻合 时，即可退出循环。退出迭代循环后得到的权值为某一个频点、某一个方向的权值。 再做预成波束指向、关心的频点等两维的循环，得到离线权值矩阵，并以文件形式存 储。
较佳地，所述步骤(7)具体为：在实时系统，如DSP构建的声纳系统中上传离 线权值，在进行波束形成时，根据需要按需按序读出，完成恒低旁瓣自适应波束形成。
需要说明的是，所述干扰强的方位是指已知存在强干扰的方位，以干扰为中心左右各5度的范围；所述干扰次强的方位是指强干扰的临近波束，既干扰较弱或存在强 干扰波束间窜扰的方位，即在所述干扰强的方位两侧各分别延伸10度的范围；所述 没有强干扰的方位是指没有强干扰及其窜扰的方位。
实施例3：
本实施例提供一种适用于水声工程在线计算的、计算量小的、能同时抑制强干扰和多目标窜扰的恒低旁瓣自适应波束形成方法。
一种多级可控恒低旁瓣自适应波束的形成方法，包括如下步骤：(1)设定多级 可调的旁瓣约束线，可以是多段折线组成，覆盖整个观察空扇面；(2)整个观察角 内均匀分布若干个假定的干扰源，初始强度设为1；(3)形成无干扰时的初始化常 规波束图，波束峰值归一化到1；(4)确定初始化波束的主瓣区域、旁瓣区域；(5) 迭代过程1：旁瓣区域波束高度与旁瓣约束线比较，自适应调整假定干扰源的强度； (6)迭代过程2：干扰源数据为基础计算最优自适应权向量，遍历预成波束指向、 关心的频点，并存储离线权值；(7)在水声工程的实时系统中上传离线权值，实时 计算时按需按序读出，完成恒低旁瓣自适应波束形成。
较佳地，所述步骤(1)具体为：在强干扰强的方位设定深的凹陷，次强的方位 设定较浅的凹陷，在大概率没有强干扰的方位仅约束最高旁瓣级(旁瓣高度)。因此， 多级可调的旁瓣约束线可以理解为：不同方位根据需求设定不同强度的凹陷，且该强 度在预设时可根据需求调整。
较佳地，所述步骤(2)具体为：在整个观察角内，均匀分布NInterf个假定的干扰 源，方位分别为
Figure BDA0002704542100000091
m＝1…NInterf，初始强度设为1。NInterf的数值应大于按度计的 角度数，为保证精细化调整权值应每度至少两个干扰源，例如，对于均匀线阵的180° 观察空间不妨设定NInterf＝400。
较佳地，所述步骤(3)具体为：采用常规波束形成计算获得无干扰时的常规波 束图，并将波束峰值归一化到1。以均匀线阵为例介绍算法流程，可自然扩展到任意 阵型。对于间距为d的N元均匀线阵，其常规波束图为：D(θ)＝|wHa(θ)|，其中： 阵列流形
Figure BDA0002704542100000092
ω0＝2πf，f为信号频率，c为声速，θ为以阵列轴向为0°计的信号入射角；权向 量w＝[w1,w2,…,wN]T为一N×1的列向量，有
Figure BDA0002704542100000101
当θ由0°至180°扫描，计算波束形成器的输出，形成一幅谱图，横坐标为方位角，纵坐标为输出功率或幅度，我们称这样的图为空间谱图，其极大值对应的角度即为信 号入射的方向(来波方向或波达方向)。得到波束图D(θ)后，再归一化：
Figure BDA0002704542100000102
较佳地，所述步骤(4)具体为：寻找主波束左、右第一个零点，分别记为θL(0)、 θR(0)，主瓣区域记为[θL(0),θR(0)]。括号中的“0”表示初始化数值。
较佳地，所述步骤(5)具体为：开始迭代过程。自动调整干扰源的强度。第k+1 次迭代时的干扰源强度为
Figure BDA0002704542100000103
其中，
Figure BDA0002704542100000104
K为一常量因子，称为迭代增益；
Figure BDA0002704542100000105
表达式如下
Figure BDA0002704542100000106
较佳地，所述步骤(6)具体为：步骤(5)得到虚拟干扰源强度之后，构造虚拟 干扰协方差矩阵Ru如下：
Figure BDA0002704542100000107
自适应阵能根据干扰强度和方位自动调整权矢量，最佳权矢量可以通过下式获得
Figure BDA0002704542100000108
式中，μ为任意非零标量，ui为干扰的幅度，设期望信号的方位角为θ0，则a0可由
Figure BDA0002704542100000109
计算获得。
根据计算得到的权值，计算迭代过程中的波束图D(θ,k+1)，计算 [θL(k+1),θR(k+1)]。
较佳地，所述步骤(5)、步骤(6)还隐含操作：在迭代循环收敛前，重复执行 步骤(5)和步骤(6)，直至收敛：D(θ,k)的旁瓣与期望得到的旁瓣
Figure BDA00027045421000001010
基本吻合 时，即可退出循环。退出迭代循环后得到的权值为某一个频点、某一个方向的权值。 再做预成波束指向、关心的频点等两维的循环，得到离线权值矩阵，并以文件形式存 储。
较佳地，所述步骤(7)具体为：在实时系统，如DSP构建的声纳系统中上传离 线权值，在进行波束形成时，根据需要按需按序读出，完成恒低旁瓣自适应波束形成。
本发明公开了一种多级可控恒低旁瓣自适应波束的形成方法，类属于旁瓣形状多级可控的自适应强干扰和多目标窜扰抑制技术——恒低旁瓣技术，其技术优点在于： (1)在强干扰方向预置多级宽且深的凹口，越靠近强干扰方向，凹陷越深；(2) 预成主波束邻域采取控制最高旁瓣级的方式获取局域等高旁瓣，使得最高旁瓣级比均 匀线阵的第一旁瓣级低；(3)强干扰方向凹陷边沿到等高旁瓣边沿之间的区域、强 干扰方向凹陷边沿到临近的观察扇面边沿不做限制，这些区域的波束图形状类似均匀 线阵波束图但旁瓣略高；(4)所有计算均离线完成，没有在线优化计算负担。本发 明的多级可控旁瓣不仅可用于抑制强干扰，且对观察扇面内的多目标窜扰具有良好的 抑制作用。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实 施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示 例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。 在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且， 描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合 适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变 型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种多级可控恒低旁瓣自适应波束的形成方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：建立以阵列轴向为x轴，x轴的正向为0°的坐标系，并设定多级可调的旁瓣约束线，覆盖整个观察扇面，形成无干扰时的常规波束图，并归一化到1；
步骤2：在所述观察扇面内均匀分布若干个虚拟干扰源；所述虚拟干扰源的初始强度均分别设置为1；
步骤3：形成无干扰时的初始化常规波束图，将波束峰值归一化到1；
步骤4：确定初始化波束的主瓣区域和旁瓣区域；其中，寻找所述常规波束图波束主瓣左、右第一个零点，位于两个零点中间的区域为主瓣区域，位于所述主瓣区域两侧的区域为旁瓣区域；
步骤5：将旁瓣区域波束高度与旁瓣约束线比较，自适应调整所述假定的干扰源的强度；其中包括：在各虚拟干扰源处，比较波束图与旁瓣约束线的高度，自动调整虚拟干扰源的强度，并以此虚拟干扰源为背景得到新的权值和新的波束图，再与旁瓣约束线比较直至收敛退出；
步骤6：将干扰源数据为基础计算最优自适应权向量，遍历预成波束指向、关心的频点，并存储离线权值；其中包括：做预成波束指向、关心的频点的两维循环，得到离线权值矩阵，并以存储；
步骤7：在水声工程的实时系统中上传所述离线权值，在实时系统中导入权值文件，在进行波束形成时，实时计算时按需按序读出，完成恒低旁瓣自适应波束形成。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旁瓣约束线由多段折线组成；所述设定多级可调的旁瓣约束线的具体操作为：不同方位设定不同强度的凹陷。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中不同方位设定不同强度的凹陷的具体操作包括：在干扰强的方位设定深的凹陷，在干扰次强的方位设定较浅的凹陷，在没有强干扰的方位仅约束最高旁瓣级；所述干扰强的方位是指已知存在强干扰的方位，以干扰为中心左右各5度的范围；所述干扰次强的方位是指强干扰的临近波束，既干扰较弱或存在强干扰波束间窜扰的方位，即在所述干扰强的方位两侧各分别延伸10度的范围；所述没有强干扰的方位是指没有强干扰及其窜扰的方位。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中：在整个观察角内，均匀分布NInterf个假定的干扰源，方位分别为
Figure FDA0002704542090000024
初始强度设为1；NInterf的数值大于按度计的角度数；调整权值时每度至少两个干扰源。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对于均匀线阵的180°观察空间设定NInterf＝400。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，常规波束形成的所述常规波束图，由均匀加权权值与阵列流形共轭相乘得到。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在观察扇面内每一度布置一个等强度干扰源；调整权值每度至少两个干扰源。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤5中，按搜索角度开始循环包括如下步骤：
步骤5.1：观察扇面范围内以0.5°(可调整)为搜索步幅，将波束图数值与预设旁瓣约束线比较，并自动调整虚拟干扰源强度；
步骤5.2：调整虚拟干扰源强度之后，构造虚拟干扰协方差矩阵，并以此计算得到最佳权矢量；
步骤5.3：计算迭代过程中的波束图；
步骤5.4：判断是否符合收敛条件，若收敛则退出；否则重复步骤5.1、步骤5.2、步骤5.3，直至算法收敛，退出。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，按搜索角度开始循环还包括：
步骤5.4：退出迭代循环后得到的权值仅为某一个频点、某一个方向的一个权值；将所述权值做预成波束指向、关心的频点的两维循环，以得到离线权值矩阵，并存储。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤5中，开始迭代过程，自动调整干扰源的强度；
第k+1次迭代时的干扰源强度为
Figure FDA0002704542090000021
其中，
Figure FDA0002704542090000022
K为一常量因子，称为迭代增益；
Figure FDA0002704542090000023
表达式如下：
Figure FDA0002704542090000031
所述步骤6具体为：在步骤5得到虚拟干扰源强度之后，构造虚拟干扰协方差矩阵Ru如下：
Figure FDA0002704542090000032
自适应阵能根据干扰强度和方位自动调整权矢量，最佳权矢量可以通过下式获得
Figure FDA0002704542090000033
式中，μ为任意非零标量，ui为干扰的幅度，设期望信号的方位角为θ0，则a0由
Figure FDA0002704542090000034
计算获得；
根据计算得到的权值，计算迭代过程中的波束图D(θ,k+1)，计算[θL(k+1),θR(k+1)]；
所述步骤5和步骤6中还包括：在迭代循环收敛前，重复执行步骤5和步骤6，直至收敛：D(θ,k)的旁瓣与期望得到的旁瓣
Figure FDA0002704542090000035
基本吻合时，即退出循环；退出迭代循环后得到的权值为某一个频点、某一个方向的权值；再做预成波束指向、关心的频点等两维的循环，得到离线权值矩阵，并以文件形式存储；
所述步骤7中所述实时系统为DSP构建的声呐系统。
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