一种基于矢量扩展互质阵的波束形成方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于矢量扩展互质阵的波束形成方法及装置。所述方法包括：步骤1：在矢量阵阵元数需求设定的前提下，对指定物理阵元的水声矢量阵进行互质阵元数拟定初始值M和N；步骤2：根据互质阵的子阵波束输出零点和栅瓣位置特点，设定阵列扩展因子，对初始互质阵阵元数对进行扩展；步骤3：利用声压振速联合处理方法改变子阵数据通道组合降低阵列波束输出栅瓣；步骤4：设置基于声压振速联合处理的阵列加权因子进一步降低波束输出旁瓣；步骤5：利用互质阵波束形成得到最终的矢量扩展互质阵波束输出空间谱合成。本发明专利技术可以得到低栅瓣、低旁瓣、窄主瓣的扩展互质矢量阵波束输出。窄主瓣的扩展互质矢量阵波束输出。窄主瓣的扩展互质矢量阵波束输出。

【技术实现步骤摘要】
一种基于矢量扩展互质阵的波束形成方法及装置


[0001]本专利技术涉及水声信号处理技术，具体涉及一种基于矢量扩展互质阵的波束形成方法及装置。

技术介绍

[0002]在水声矢量阵列信号处理中，对于均匀阵而言，有限的阵元个数限制了阵列孔径，从而限制了阵列自由度。稀疏阵的提出使传统均匀阵列获得了更大的阵列孔径和更高的自由度，进而获得更高的谱估计精度和更具有优势的分辨率。互质阵列是稀疏阵列的一种特殊结构阵列，其可由阵元互为质数的两条子阵组合而成，且两条子阵的阵元间距分别为另一条子阵阵元数乘以半波间距。与其他形式稀疏阵相比，互质阵列形成的阵列阵元位置具有固定的闭式解，且实际应更易于实现，另因其阵元间距为半波长的整数倍因而具有更高的阵列自由度且互耦较小，当子阵阵元数分别为M和N时，自由度可达O(MN)。但水声阵列中应用互质阵型以及互质阵波束形成处理方法时，存在高栅瓣和高旁瓣的问题，进而影响了波束形成的性能以及DOA估计的准确性。

技术实现思路

[0003]本专利技术是要解决互质阵型在水声矢量阵列中应用存在的高旁瓣栅瓣，进而影响波束形成以及目标方位估计的性能，同时工程实现上软硬件复杂度高的问题。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于矢量扩展互质阵的波束形成方法，包括以下步骤：步骤1：在矢量阵阵元数需求设定的前提下，构造互质数据对M和N，对指定物理阵元的水声矢量阵互质阵元数初始值进行拟定；步骤2：基于互质阵子阵波束输出零点和栅瓣特性，制定矢量互质阵扩展方案，并确定阵列扩展因子，得到扩展的矢量互质阵；所述矢量互质阵扩展方案采用子阵零点栅瓣交叉调节方法，取：：其中，为整数，，分别为互质子阵的扩展因子；当，时根据得到的扩展因子和对互质子阵进行扩展；步骤3：对步骤2得到的扩展矢量互质阵进行声压振速联合处理，得到矢量通道数据组合；步骤4：基于扩展矢量互质阵的声压通道组合形式，设计加权系数，采用数据独立的窗函数进行扩展矢量互质阵列加权；步骤5：基于互质阵波束形成方法对扩展矢量互质阵进行波束形成，得到最终空间
谱输出。
[0005]一种基于矢量扩展互质阵的波束形成装置，包括：互质阵元数构造模块，用于在矢量阵阵元数需求设定的前提下，构造互质数据对M和N，对指定物理阵元的水声矢量阵互质阵元数初始值进行拟定；矢量互质阵扩展模块，基于互质阵子阵波束输出零点和栅瓣特性，采用子阵零点栅瓣交叉调节方法得到扩展的矢量互质阵；所述采用子阵零点栅瓣交叉调节方法包括：取：：其中，为整数，，分别为互质子阵的扩展因子；当，时根据得到的扩展因子和对互质子阵进行扩展；矢量通道数据组合模块，用于对矢量互质阵扩展模块得到的扩展矢量互质阵进行声压振速联合处理，得到矢量通道数据组合；加权模块，用于基于扩展矢量互质阵的声压通道组合形式，设计加权系数，采用数据独立的窗函数进行扩展矢量互质阵列加权；波束成形模块，用于基于互质阵波束形成方法对扩展矢量互质阵进行波束形成，得到最终空间谱输出。
[0006]一种计算机设备，包括：存储器，存储有一个或多个计算机程序，所述一个或多个计算机程序被一个或多个处理器执行时，致使所述一个或多个处理器执行如上所述的基于矢量扩展互质阵的波束形成方法的步骤。
[0007]一种计算机存储介质，其特征在于，存储有一个或多个计算机程序，所述一个或多个计算机程序被一个或多个处理器执行时，致使所述一个或多个处理器执行如上所述的基于矢量扩展互质阵的波束形成方法的步骤。
[0008]有益效果：本专利技术在矢量水听器中应用一种特殊稀疏阵形式—互质阵，并针对矢量互质阵存在的问题进行阵列扩展，采用声压振速联合处理以及阵列加权方法最终对扩展矢量互质阵波束形成进行改进，最终可以得到低栅瓣、低旁瓣、窄主瓣的扩展互质矢量阵波束输出。与传统均匀矢量阵列相比，在阵元数受限且相同的情况下，本专利技术可获得扩展后的矢量互质阵列，提高阵列孔径进而提升阵列波束形成的分辨力，同时也获得了较低的栅瓣和旁瓣；在阵列孔径受限的情况下，本专利技术可以利用更低的硬件成本实现较均匀矢量满阵情况下更好的波束形成效果，进而提高了目标方位估计性能。与传统稀疏矢量水听器阵目标方位估计相比，本专利技术针对在矢量水听器阵列上应用互质阵思想进行波束形成，针对矢量阵特点，利用通道不同组合获取矢量互质扩展阵列的额外优势。将阵列扩展与阵列加权结合，一定程度上中和了阵列加权带来的主瓣展宽问题，最终达到缩窄主瓣宽度，从而提高波束形成空间分辨力。
附图说明
[0009]图1是本专利技术的方法流程图；图2是互质阵几何结构示意图；图3是互质子阵波束输出特征示意图；图4是矢量水听器结构示意图；图5是矢量不同通道数据组合对比图；图6是不同窗函数阵列加权效果对比图；图7是仿真实验中互质子阵不同扩展情况下的效果对比图；图8是仿真实验中同等阵元下加窗和未加窗的矢量互质阵和矢量均匀阵波束对比图；图9是仿真实验中加窗后的矢量互质阵与等孔径矢量均匀满阵波束效果对比。
具体实施方式
[0010]下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步说明。
[0011]如图1所示，一种基于矢量扩展互质阵的波束形成方法，包括以下步骤：步骤1：在矢量阵阵元数需求设定的前提下，构造互质数对M和N，对指定物理阵元的水声矢量阵进行互质阵元数初始值拟定。
[0012]在不同的应用场景下，对于M和N的选择略有不同。示例性地，当在阵元数D的限制下，可以利用M和N构造互质阵列，保证M+N
‑
1=D，可以达到有限阵元数下的较大阵列孔径；而当阵列孔径受限的情况下，可以利用互质阵型节省阵列硬件负担并且提高空间分辨率。
[0013]步骤2：基于互质阵子阵波束输出零点和栅瓣特性，制定矢量互质阵扩展方案，并确定阵列扩展因子，得到扩展的矢量互质阵。
[0014]按照图2所示的几何关系建立数学模型。矢量互质阵的子阵阵元分别为M和N，因此总阵元数为M+N
‑
1。考虑有L个远场非相关窄带信号入射到矢量互质阵，t时刻矢量互质阵接收信号为：（1）其中各项变量定义如下：为阵列接收信号向量；为统计独立的高斯噪声分量；为单位矩阵，是噪声功率；，其中，，，表示噪声矢量的压力分量和振速通道沿x轴和y轴分量；
‘
T
’
为矩阵或者向量的转置；为阵列流型矩阵，
‘’
为克罗内克积，其中，
（2）（3）为目标在矢量阵列中的阵列流型矢量，为矢量传感器方向矢量，d为阵元间距，为信号波长，为信号入射方位。
[0015]假设当目标信号方位为时，互质矢量阵接收信号可写为：阵列的波束形成输出结果为：（4）
‘
H
’
为矩阵的共轭转置。
[0016]将（2）和（3）带入（4）得到：
ꢀꢀ
（5）其中，（6）（7）其中b和c满足：Product和Min方法是比较经典的互质阵波束形成方法，由于Min方法较Product方法可以获得更低的栅瓣，因此在本专利技术中，选择更适合本场景的Min方法：首先，互质阵子阵的波本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于矢量扩展互质阵的波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在矢量阵阵元数需求设定的前提下，构造互质数据对 M和N，对指定物理阵元的水声矢量阵互质阵元数初始值进行拟定；步骤2：基于互质阵子阵波束输出零点和栅瓣特性，制定矢量互质阵扩展方案，并确定阵列扩展因子，得到扩展的矢量互质阵；所述矢量互质阵扩展方案采用子阵零点栅瓣交叉调节方法，取：：其中为整数，分别为互质子阵的扩展因子；当时根据得到的扩展因子对互质子阵进行扩展；步骤3：对步骤2得到的扩展矢量互质阵进行声压振速联合处理，得到矢量通道数据组合；步骤4：基于扩展矢量互质阵的声压通道组合形式，设计加权系数，采用数据独立的窗函数进行扩展矢量互质阵列加权；步骤5：基于互质阵波束形成方法对扩展矢量互质阵进行波束形成，得到最终空间谱输出。2.根据权利要求1所述的基于矢量扩展互质阵的波束形成方法，其特征在于，所述步骤3中，声压振速联合处理包括：按下式进行两种振速组合：按下式进行两种振速组合：和为两种组合振速，其中，其中，为矢量水听器接收到的声压信息，和为相互正交的振速分量信息，和分别为目标方位和引导方位。3.根据权利要求2所述的基于矢量扩展互质阵的波束形成方法，其特征在于，所述步骤3中，基于组合形式展开，获得组合通道的指向性为。4.根据权利要求1所述的基于矢量扩展互质阵的波束形成方法，其特征在于，所述步骤4采用海明窗进行互质子阵波束的旁瓣优化，得到互质子阵的波束输出分别为和；其中，和为扩展矢量互质阵经过通道组合加窗后生成的子阵加权值，和分别为扩展矢量互质阵经过通道组合后得
到的阵列输出，为海明窗权系数。5.根据权利要求4所述的基于矢量扩展互质阵的波束形成方法，其特征在于，经过通道组合加窗后生成的子阵加权值分别为：组合加窗后生成的子阵加权值分别为：其中，为M子阵阵元间距，为N子阵阵元间距，为信号波长，为引导方位。6.根据权利要求1所述的基于矢量扩展互质阵的波束形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕曜辉，陈晓，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：