一种基于空域滤波的阵形畸变补偿方法技术

本发明专利技术提供了一种基于空域滤波的阵形畸变补偿方法，属于水声探测与声纳信号处理技术领域。本发明专利技术将探测空域离散化，利用阵列实际阵列流形矩阵和理想阵列流形矩阵，通过对响应加权系数的迭代，设计加权最小二乘空域滤波器，利用所得的空域滤波器对接收的阵列信号滤波，从而实现接收阵列数据的阵形畸变补偿。本发明专利技术通过阵形畸变补偿实现水下目标的精确方位估计，对于提高拖线阵声纳的战技性能具有较大的应用价值。大的应用价值。大的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于空域滤波的阵形畸变补偿方法


[0001]本专利技术属于水声探测与声纳信号处理
，涉及一种基于空域滤波的阵形畸变补偿方法。

技术介绍

[0002]拖线阵声纳是探测低频、隐蔽性目标的重要工具，在探测过程中需要使用水听器接收的阵列数据，用于估计目标的时频信息和目标入射方位。拖线阵声纳的平台在探测过程中，受各种因素的影响，例如海流扰动、平台转向和阵列变深等，阵元的实际位置与理想线列阵的阵元位置存在畸变。受阵形畸变的影响，阵列目标方位估计性能急剧下降，目标时间方位历程模糊，与实际目标方位存在较大的角度误差。
[0003]通过在阵列上安装姿态传感器，或者通过其它方法测算获知阵元的位置，获得阵列的真实阵列流形矩阵。在已知真实阵列流形矩阵的基础上，通过阵形畸变补偿，实现水下目标的精确方位估计，对于提高拖线阵声纳的战技性能具有较大的应用价值。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中的上述问题，本专利技术提供了一种拖线阵声纳波束形成目标方位估计阵形畸变的补偿方法，利用实际阵列流形矩阵和期望阵列流形矩阵设计空域滤波器，利用所得的空域滤波器对接收的阵列信号滤波，从而实现接收阵列数据的阵形畸变补偿。
[0005]本专利技术的技术方案为：
[0006]一种基于空域滤波的阵形畸变补偿方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：将全空间各方位离散化
[0008]假设远场平面波信号由水平方向入射至阵列，将全空间各方位离散化，等间隔细分为M个方向，离散化后的入射方向分别为θ1,<br/>…
,θ
m
,
…
,θ
M
，其中m＝1,
…
,M，θ
m
∈[
‑
90
°
,270
°
]。在阵形畸变的情况下，每个入射方向的实际方向向量为a(θ
m
)，所构成的实际阵列流形矩阵为A＝[a(θ1),
…
,a(θ
m
),
…
,a(θ
M
)]。阵列无阵形畸变条件下的方向向量为b(θ
m
)，所构成的理想阵列流形矩阵为B＝[b(θ1),
…
,b(θ
m
),
…
,b(θ
M
)]，此即为期望的阵列流形矩阵。
[0009]步骤2：迭代计算加权系数和空域滤波器
[0010]假设阵列接收信号模型为：
[0011]x(t)＝As(t)+n(t)
[0012]式中x(t)＝[x1(t),
…
,x
n
(t),
…
,x
N
(t)]T
，x
n
(t)是第n个阵元的接收信号，1≤n≤N。s(t)＝[s1(t),
…
,s
i
(t),
…
,s
D
(t)]T
是D个目标源信号，s
i
(t)是第i个目标源信号，1≤i≤D。n(t)是阵列接收数据的背景噪声。
[0013]设计加权型最小二乘空域滤波器H∈C
N
×
N
，对阵列接收数据进行阵元域滤波，滤波输出y(t)为：
[0014]y(t)＝Hx(t)＝HA(θ)s(t)+Hn(t)
[0015]空域滤波器对阵列信号的实际响应和期望响应之间的误差E(θ
m
)由下式给出：
[0016][0017]利用实际响应和期望响应的误差，构造加权型最优化问题如下：
[0018][0019]其中，w(θ
m
)是每个方向向量的响应加权系数。
[0020]该最优化问题的解为：
[0021][0022]其中R＝diag[w(θ1),w(θ2),
…
,w(θ
M
)]M
×
M
是由每个方向向量的响应加权系数构成的对角矩阵。
[0023]通过调节每个方向向量的响应加权系数w(θ
m
)，均衡各入射方位的响应误差。采用如下的迭代方式实现。
[0024]初始值：
[0025]w0(θ
m
)＝1,m＝1,
…
,M
[0026]第k次迭代：
[0027]R
k
‑1＝diag[w
k
‑1(θ1),w
k
‑1(θ2),
…
,w
k
‑1(θ
M
)][0028]H
k
‑1＝BR
k
‑1A
H
(AR
k
‑1A
H
)
‑1[0029]E
k
‑1(θ
m
)＝H
k
‑1a(θ
m
)
‑
b(θ
m
),m＝1,
…
,M
[0030][0031]w
k
(θ
m
)＝β
k
‑1(θ
m
)[w
k
‑1(θ
m
)+ο],m＝1,
…
,M
[0032]式中，ο为接近于0的常数值，目的是避免w
k
‑1(θ
m
)＝0时，w
k
(θ
m
)＝0。β
k
‑1(θ
m
)是第k
‑
1次迭代对加权向量的乘积向量。
[0033]终止条件：
[0034]设置迭代次数为K，当k＝K时终止迭代。
[0035]令：
[0036]R
K
＝diag[w
K
(θ1),w
K
(θ2),
…
,w
K
(θ
M
)][0037]H
K
＝BR
K
A
H
(AR
K
A
H
)
‑1[0038]步骤3：利用空域滤波器H
K
对输入的阵列数据x(t)进行阵形畸变补偿滤波，滤波后的数据y(t)即为阵形畸变补偿后的数据：
[0039]y(t)＝H
K
x(t)
[0040]本专利技术的有益效果：拖线阵声纳的平台在探测过程中，受各种因素的影响，例如海流扰动、平台转向、阵列变深，阵元的实际位置与理想线列阵的阵元位置存在畸变。受阵形畸变的影响，阵列目标方位估计性能急剧下降，目标方位模糊，与实际目标方位存在较大的角度误差。本专利技术在已知拖线阵声纳真实阵列流形的基础上，通过阵形畸变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于空域滤波的阵形畸变补偿方法，其特征在于，步骤如下：步骤1：将全空间各方位离散化设远场平面波信号由水平方向入射至阵列，将全空间各方位离散化，等间隔细分为M个方向，离散化后的入射方向分别为θ1,
…
,θ
m
,
…
,θ
M
，其中m＝1,
…
,M，θ
m
∈[
‑
90
°
,270
°
]；在阵形畸变的情况下，每个入射方向的实际方向向量为a(θ
m
)，所构成的实际阵列流形矩阵为A＝[a(θ1),
…
,a(θ
m
),
…
,a(θ
M
)]；阵列无阵形畸变条件下的方向向量为b(θ
m
)，所构成的理想阵列流形矩阵为B＝[b(θ1),
…
,b(θ
m
),
…
,b(θ
M
)]，此即为期望的阵列流形矩阵；步骤2：迭代计算加权系数和空域滤波器设阵列接收信号模型为：x(t)＝As(t)+n(t)式中x(t)＝[x1(t),
…
,x
n
(t),
…
,x
N
(t)]
T
，x
n
(t)是第n个阵元的接收信号，1≤n≤N；s(t)＝[s1(t),
…
,s
i
(t),
…
,s
D
(t)]
T
是D个目标源信号，s
i
(t)是第i个目标源信号，1≤i≤D；n(t)是阵列接收数据的背景噪声；设计加权型最小二乘空域滤波器H∈C
N
×
N
，对阵列接收数据进行阵元域滤波，滤波输出y(t)为：y(t)＝Hx(t)＝HA(θ)s(t)+Hn(t)空域滤波器对阵列信号的实际响应和期望响应之间的误差E(θ
m
)由下式给出：利用实际响应和期望响应的误差，构造加权型最优化问题如下：其中，w(θ
m
)是每个方向向量的响应加权系数；该最优化问题的解为：其中R＝diag[w(θ1),w(θ2),
…
,w(θ
M
)...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩东，杨美娇，李宁，贺寅，郭谊，赵鹏，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军大连舰艇学院，
类型：发明
国别省市：