CN117914284A - 一种子阵自适应波束形成背景噪声抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种子阵自适应波束形成背景噪声抑制方法，包括以下步骤，步骤1，确保每一波束扫描扇面阵元个数为偶数，在水平维将每一扇面均分为二，记为左、右扇面；步骤2，依据实际的子阵划分需求，在每一左、右扇面上进行子阵的划分处理；步骤3，在每一扫描方位、每一扫描频点上，获得各子阵的常规波束形成输出结果；将左扇面各子阵输出结果相加获得左扇面常规波束输出结果，将右扇面各子阵输出结果相加获得右扇面常规波束输出结果。本发明能有效抑制子阵自适应波束形成输出的背景噪声，提高目标的输出信噪比。本发明直接利用子阵输出结果获得左右扇面输出，运算量小，工程实现简单，同时能抑制背景噪声，提高输出信噪比等特点。

Description

一种子阵自适应波束形成背景噪声抑制方法

技术领域：

本发明属于噪声处理技术领域，具体涉及一种子阵自适应波束形成背景噪声抑制方法。

背景技术：

理想仿真条件下，子阵自适应波束形成较常规波束形成输出的主瓣宽度更窄、旁瓣背景更低，然而，在实际的大孔径声呐体积阵工程应用中，由于环境失配、噪声干扰等因素的存在，子阵自适应波束形成结果往往存在输出背景噪声较高的问题，也即降低了目标信号的输出信噪比，给目标检测的有效判别带来一定的难题。

为解决上述问题，通常可采用稳健子阵自适应波束形成技术，稳健处理往往会导致计算量剧增，工程实现困难。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种子阵自适应波束形成背景噪声抑制方法，该方法契合工程应用，解决了实际应用中子阵自适应波束形成目标输出信噪比较低的问题，并且具有运算量小、工程实现简单，同时能抑制背景噪声，提高输出信噪比等特点。

本发明的技术解决方案是，提供一种子阵自适应波束形成背景噪声抑制方法，包括以下步骤，

步骤1，确保每一波束扫描扇面阵元个数为偶数，在水平维将每一扇面均分为二，记为左、右扇面；

步骤2，依据实际的子阵划分需求，在每一左、右扇面上进行子阵的划分处理；

步骤3，在每一扫描方位、每一扫描频点上，获得各子阵的常规波束形成输出结果；将左扇面各子阵输出结果相加获得左扇面常规波束输出结果，将右扇面各子阵输出结果相加获得右扇面常规波束输出结果；参照短积分节拍数N，将左、右扇面输出结果累积N个批次，并进行相关处理，获得每一方位、每一频点对应的左右扇面常规波束输出相关系数；

步骤4，利用步骤3所得左、右扇面常规输出相关系数，乘以子阵自适应算法N个批次数据对应的协方差矩阵，后进行子阵自适应波束形成，获得最终的波束输出结果，实现对子阵自适应波束形成的背景噪声抑制效果。

现有稳健子阵自适应波束形成技术较非稳健子阵自适应波束形成技术，通常会增加多次求逆或者多次特征分解运算，这也导致其难以在大孔径声呐体积阵中推广应用。

而本发明提供的子阵自适应波束形成背景噪声抑制方法其运算量小，且能有效抑制子阵自适应波束形成输出的背景噪声，提高目标的输出信噪比，为大孔径声呐体积阵的自适应警戒需求提供技术支撑，该该方法契合工程应用，实现简单。

本发明提供的子阵自适应波束形成背景噪声抑制方法，首先进行扇面的选择，确保各波束扫描工作扇面阵元数为偶数后，在水平维度将各工作扇面均分为二；在每一左、右扇面上进行子阵的划分处理，左、右扇面的子阵划分结果合计为该扫描扇面的子阵划分结果；在每一扫描方位、每一扫描频点上，获得各子阵的常规波束形成输出结果，得益于上述子阵划分方法，可快速得到左、右扇面的常规波束输出结果，经短积分节拍累积，获得左右扇面常规波束输出相关系数；显然，当扫描方位有目标出现时，该扫描方位对应左右扇面常规波束输出相关系数趋近于1，当扫描方位无目标出现时，该扫描方位对应左右扇面常规波束输出相关系数趋近于0，将该相关系数乘以对应的协方差矩阵，再进行自适应波束输出处理，即可实现“保留目标信号，抑制背景噪声”的目的，解决子阵自适应处理中因环境失配导致的信号输出信噪比降低问题。

作为优选，每一扫描扇面的子阵数为偶数。

作为优选，步骤2中，在每一左、右扇面上分别进行子阵划分处理时，被划分的子阵不能跨左、右扇面。

作为优选，步骤3中，直接利用各子阵输出结果获取左、右扇面的常规波束输出，而不需要通过波束补偿额外计算左、右扇面的常规波束输出，简化了处理流程。

作为优选，步骤4中，相关系数直接乘以各自适应算法的协方差矩阵之上，以达到背景噪声抑制效果。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的一种子阵自适应波束形成背景噪声抑制方法，能有效抑制子阵自适应波束形成输出的背景噪声，提高目标的输出信噪比。本发明方法直接利用子阵输出结果获得左右扇面输出，结构简单、运算量小，特别针对环境失配对自适应算法的影响问题，为大孔径体积阵的自适应警戒需求提供技术支撑。

附图说明：

图1为本发明流程框图；

图2为本发明实施例共形阵0°方位对应扇面示意图；

图3为本发明实施例共形阵0°方位对应左、右扇面示意图；

图4为本发明实施例共形阵0°方位对应扇面子阵划分示意图；

图5为本发明实施例某次湖试单目标数据分析结果；

图6为本发明实例某次湖试双目标交叉数据分析结果。

具体实施方式：

下面结合附图就具体实施方式对本发明作进一步说明：

本发明提供的一种子阵自适应波束形成背景噪声抑制方法，首先进行扇面的选择，确保各波束扫描工作扇面阵元数为偶数后，在水平维度将各工作扇面均分为二；在每一左、右扇面上进行子阵的划分处理，左、右扇面的子阵划分结果合计为该扫描扇面的子阵划分结果；在每一扫描方位、每一扫描频点上，获得各子阵的常规波束形成输出结果，得益于上述子阵划分方法，可快速得到左、右扇面的常规波束输出结果，经短积分节拍累积，获得左右扇面常规波束输出相关系数；显然，当扫描方位有目标出现时，该扫描方位对应左右扇面常规波束输出相关系数趋近于1，当扫描方位无目标出现时，该扫描方位对应左右扇面常规波束输出相关系数趋近于0，将该相关系数乘以对应的协方差矩阵，再进行自适应波束输出处理，即可实现“保留目标信号，抑制背景噪声”的目的，解决子阵自适应处理中因环境失配导致的信号输出信噪比降低问题。

参照图1所示，本发明实施例涉及的方法包括扇面选取、子阵划分、相关系数计算和子阵自适应波束处理四部分，以共形阵为示例，假定子阵自适应算法为子阵STMV波束形成(记为STMV-SA)，具体包括以下步骤：

步骤1，扇面选取；

步骤101，首先依据波束宽度均衡原则，选取所需的扫描扇面；

步骤102，微调步骤101所选取扇面，确保每一扇面的阵元数为偶数，以方便左、右扇面的均等阵元划分。

步骤2，子阵划分；

步骤201，共形阵0°方位扫描扇面示意图如图2，在水平维将扇面均为为二，记为左扇面和右扇面，左右扇面如图3所示；

步骤202，在左扇面上以一列6元为一组划分子阵，共划分74个子阵，同样，在右扇面上以一列6元为一组划分子阵，共划分74个子阵，则该扫描扇面共计划分148个子阵，划分示意图如图4，需要指出的是左扇面子阵数和右扇面子阵数可不等，划分个数依据实际需求确定。

步骤3，相关系数计算；

步骤301，假设共形阵阵元个数为M，阵元接收时域数据经FFT转化后得到的频域快拍向量为X(f_k,γ,θ)，第m个阵元、f_k频点、(γ,θ)方向角所对应的阵列导向为：

其中，τ_m＝(x_mcosγsinθ+y_msinγsinθ+z_mcosθ)/c，X_m＝(x_m,y_m,z_m)表征第m个阵元坐标，c代表声速。则经驾驶后的频域快拍数据(即常规波束形成所得宽带方位谱)为：

Y(f_k,γ,θ)＝T(f_k,γ,θ)X(f_k,γ,θ) (2)

式中，

子阵CBF频域波束输出向量为：

其中，M_g(g＝1,2,···,G)表示第g个子阵所包含的阵元数目，G为子阵划分总个数。D为M×G维子阵选择矩阵，其第g列表示第g个子阵，每列元素的“1”和“0”表示对应改阵元是否被该子阵所选中。

步骤302，设左扇面子阵编号为1～G_left，则右扇面子阵编号为G_left+1～G，则左、右扇面常规波束输出为：

设短积分节拍个数为N，同时累积N批左扇面和右扇面的常规输出结果，分别记为Y_left,1:N(f_k,γ,θ)、Y_right,1:N(f_k,γ,θ)，则可得到短积分节拍内，左右扇面常规波束输出的相关系数：

步骤4，子阵自适应波束处理；

步骤401，获得子阵归一化常规波束输出：

其中，C_nor＝diag(1/M₁,1/M₂,···,1/M_G)为G×G维归一化对角矩阵，M_g表示第g个子阵所包含的阵元数目，其中，g＝1,2,···,G。

步骤402，将子阵归一化常规波束输出同样累积N个批次，记为利用步骤302求得相关系数结果，可得经噪声抑制过的子阵驾驶协方差矩阵：

步骤403，利用上步求得的子阵驾驶协方差矩阵，得到宽带STMV-SA波束形成输出功率：

其中，I_G表征G×1维的单位向量。

图5为某次湖试单目标宽带数据分析结果，图6为某次湖试双目标交叉数据分析结果，可以看出，所提子阵自适应波束形成背景噪声抑制方法能达到较好的背景噪声抑制效果，除此之外，该方法也具有降低主瓣宽度的效果。

以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。凡是利用本发明说明书所做的等效流程变换，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种子阵自适应波束形成背景噪声抑制方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1，确保每一波束扫描扇面阵元个数为偶数，在水平维将每一扇面均分为二，记为左、右扇面；

步骤2，依据实际的子阵划分需求，在每一左、右扇面上进行子阵的划分处理；

步骤3，在每一扫描方位、每一扫描频点上，获得各子阵的常规波束形成输出结果；将左扇面各子阵输出结果相加获得左扇面常规波束输出结果，将右扇面各子阵输出结果相加获得右扇面常规波束输出结果；参照短积分节拍数N，将左、右扇面输出结果累积N个批次，并进行相关处理，获得每一方位、每一频点对应的左右扇面常规波束输出相关系数；

步骤4，利用步骤3所得左、右扇面常规输出相关系数，乘以子阵自适应算法N个批次数据对应的协方差矩阵，后进行子阵自适应波束形成，获得最终的波束输出结果，实现对子阵自适应波束形成的背景噪声抑制效果。

2.根据权利要求1所述的子阵自适应波束形成背景噪声抑制方法，其特征在于：每一扫描扇面的子阵数为偶数。

3.根据权利要求1所述的子阵自适应波束形成背景噪声抑制方法，其特征在于：步骤2中，在每一左、右扇面上分别进行子阵划分处理时，被划分的子阵不能跨左、右扇面。

4.根据权利要求1所述的子阵自适应波束形成背景噪声抑制方法，其特征在于：步骤3中，直接利用各子阵输出结果获取左、右扇面的常规波束输出。

5.根据权利要求1所述的子阵自适应波束形成背景噪声抑制方法，其特征在于：步骤4中，相关系数直接乘以各自适应算法的协方差矩阵之上，以达到背景噪声抑制效果。