一種基于動態(tài)重修正的自適應(yīng)波束形成方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水下聲成像領(lǐng)域，尤其涉及一種基于動態(tài)重修正的自適應(yīng)波束形成方 法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 水下聲成像技術(shù)已經(jīng)在國防和民用領(lǐng)域取得廣泛的應(yīng)用，主要用于水下目標(biāo)探測 與搜索，水底地貌繪制，海底沉船打撈等眾多軍事和民用領(lǐng)域。聲成像是采用換能器主動發(fā) 射聲波，通過水聽器陣列接收回波數(shù)據(jù)，并采用信號處理手段來形成目標(biāo)在某個二維平面 上的圖像。由于應(yīng)用不同，各種成像的技術(shù)要求、指標(biāo)和方法不盡相同。如數(shù)字多波束成像、 合成孔徑成像技術(shù)、時間反轉(zhuǎn)成像技術(shù)和高分辨成像技術(shù)等。
[0003] 為了實現(xiàn)水下目標(biāo)的實時高清晰聲成像，就必須采用高分辨成像技術(shù)，而波束形 成技術(shù)是高分辨聲成像的核心。由于水下環(huán)境的復(fù)雜性、聲傳播損失和吸收損失以及實際 系統(tǒng)的限制，波束形成有一定的誤差和干擾，陣列信號處理中存在很多不確定性問題，例如 陣列安裝誤差、估計的樣本協(xié)方差矩陣誤差、指向誤差等。在本系統(tǒng)中，多個探測器的協(xié)同 合作能在很大程度上提高掃描速度。并可計算得出掃描時間和探測器數(shù)量之間成反比的關(guān) 系。此外多探測器的協(xié)同合作也是當(dāng)下在研項目探索深海三維立體掃描，對體目標(biāo)進行精 確成像的數(shù)學(xué)模型的有效支撐。
[0004] 綜合上述，特提出一種基于動態(tài)重修正的自適應(yīng)波束形成方法及系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了改進現(xiàn)有技術(shù)（對角加載技術(shù)）對接收信號數(shù)據(jù)的估計不足而引起的自適應(yīng) 波束形成性能的下降，本發(fā)明的第一目的是在對角加載技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了一種自適應(yīng)波 束形成的新方法，并能很好地在工程中得到應(yīng)用。該方法可以在形成自適應(yīng)波束中自動修 正和矯正接收數(shù)據(jù)，有效減少數(shù)據(jù)偏差，提高波束形成的準(zhǔn)確性和穩(wěn)健性，并提高水下探測 的準(zhǔn)確性。
[0006] 本發(fā)明的第二目的在于提供一種自適應(yīng)波束形成系統(tǒng)，如圖5所示，該系統(tǒng)實現(xiàn) 簡單，有利于減少波束形成過程中的偏差，提高波束形成的準(zhǔn)確性和穩(wěn)健性。
[0007] 為實現(xiàn)上述第一目的，本發(fā)明提供一種基于動態(tài)重修正的自適應(yīng)波束形成方法， 所述方法包含如下步驟：
[0008] 步驟1 :如圖3所示，考慮平面空間的等距均勻線陣，設(shè)陣元數(shù)為M，陣元間距為d， 其他d=λ/2,其中λ為陣列接收單元接收信號的波長，假設(shè)有L個信源回波（M>L)，設(shè) 波達方向為ΘpΘ2,...，θμ以陣列的第一個陣元作為基準(zhǔn)點，則在第k次快拍的采樣點 m的采樣值為：
[0009]
[0010] 式中njk)表示第m個陣元上的噪聲，Sl(t)表示各信源回波在基準(zhǔn)點的基帶信號。
[0011] 步驟2 :各陣元在快拍k時刻接收到的信號分別為Xi(k)，x2(k)，. . .，xM(k)，即： x(k) = [&(10，知(10，...，知(10]'此為陣列輸入矢量。假設(shè)遠場平面波信號包含不相關(guān)的 P個干擾信號，則x(k)=As(k)+n(k)，得到協(xié)方差矩陣估計值為;R=4i>(〇，(〇，式中 XX 允ι·=1 k表示陣列天線接收的信號幀數(shù)，x(i)表示陣列天線上i時刻接收的信號。i= 1，2,...，k。采樣頻率為f，上標(biāo)Η表示矩陣的共拒裝置，A為L個信號源對應(yīng)的方向矢量。其中
[0012]
[0013]
[0014] 步驟3 :在上述接收基陣背面加一個信號接收單元用于和協(xié)同工作設(shè)備的通信和 誤差調(diào)整，設(shè)兩設(shè)備始終工作在對方的遠場某處，可近似看作平面波從空間某一方向射入 到基陣，信號入射方向為Θ，通過交互信息獲得。協(xié)作設(shè)備之間通過確認信息之后開始進行 誤差動態(tài)調(diào)整。令波束指向等于Θ，減少掃描時間，接收器接收信號的頻率，設(shè)為陣列天線 的采樣頻率f，由直線型接收天線陣列可知，相鄰陣元接收到的信號，由于誤差而引起相位 差為，因為令波指向ΘΒ等于Θ，所以接收陣元不需要進行相移，通信接收器模 擬直線陣列進行誤差矩陣估計時，模擬的第i個基元與第1個基元之間接收信號的相位差 為φι= (i-Ι)Φ，此時假定通信接收器接收信號的相位為〇，x'Jn)為系統(tǒng)在快拍η時刻 各陣元的模擬采樣信號
[0015] X' ^η) =w；exp[j(fn+Φ；)]
[0016]
[0017] 幅度加權(quán)系數(shù)，在此設(shè)^= 1 ;c為光速，^為各陣元相對于參考點（第1個 基元）的位置，k為波束向量，a=k/|k|表示電波的傳播方向，為單位向量，
[0018] Wi(η)的頻帶帶寬B比載波值f。小很多，信號X'i(η)變化相對緩慢，滿足關(guān)系 丄(延遲時間)《^，故有」?/?)?X丨⑷，即信號包絡(luò)在各個模擬陣元上的差cBe
[0019] 異可以忽略不計。則模擬出陣列天線一個采樣時刻的數(shù)據(jù)向量，記作
[0020]
[0021] 其中mT+n' =n(即快拍η時刻），此處約定η彡T，以避免m-1 < 0情況。 (?表示向下取整;r=M*j：，為參考信號的周期；X' ?表示接收矩陣第i個陣元的模擬數(shù)據(jù)，
[0022] 得到參考ig號的協(xié)方差矩陣估計值為
[0023] 設(shè)備預(yù)存的參考信號協(xié)方差為&，與接收到的參考信號I之間的關(guān)系為 也=1+凡，得到誤差矩陣的估計為Dxx。
[0024] 步驟4:對干擾加噪聲的協(xié)方差矩陣估計值進行改進，改進后的協(xié)方差矩陣為 Rxx，它們之間滿足：& =心+化得到修改后的協(xié)方差矩陣Rxx。
[0025] 步驟5 :修改后的協(xié)方差矩陣Rxx與對角加載后的協(xié)方差矩陣之間的關(guān)系滿足R= RXX+LI
[0026] 取ε=std[diag(Rxx)]，則對角加載系數(shù)L滿足下述不等式
[0027]ε<L<trace(Rxx)/M，其中Μ是陣元數(shù)；trace表示軌跡。
[0028] 由對角加載技術(shù)確定對角加載系數(shù)L，得到輸入矢量協(xié)方差矩陣R。由步驟2得知 系統(tǒng)在快拍k時刻接收到的信號分別為Xl (k)，x2 (k)，. . .，xM (k)，即：
[0029]x(k) = [XiGO^GO，· · ·，xM(k)]T，輸入數(shù)據(jù)矩陣Xm= [xT(l)，xT⑵，· · ·，xT(n)] T。則系統(tǒng)的輸出信號為y(n) =wHx(n)，輸出功率為P(n) =E{|y(n) |2} =E{ |wH(n)x(n) |2} =wH (n)Rw(n) 2然后采用基于LCMV的逆QR分解采樣矩陣求逆，即IQRD-SMI算法求解權(quán)向 量w，生成自適應(yīng)波束。
[0030] 為了實現(xiàn)上述第二目的，本發(fā)明提供一種自適應(yīng)波束成形成系統(tǒng)，所述系統(tǒng)中包 括：
[0031]信號預(yù)處理模塊（100)，用于對接收陣列接收到的信號進行濾波放大、下邊頻等預(yù) 處理，得到基帶信號，完成采樣。
[0032]空間協(xié)方差矩陣估計模塊（101)，用于接收100模塊發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)，并對其進行 計算，得到采樣數(shù)據(jù)的空間協(xié)方差矩陣估計矩陣。
[0033]輸入矢量數(shù)據(jù)陣（102)，是把100模塊的采樣信息緩存在高速存儲器中，作為權(quán)向 量生成算法的已知量保存。
[0034] 改進后的空間協(xié)方差矩陣估計模塊（103)，是本發(fā)明的核心內(nèi)容。是根據(jù)205模塊 得到的誤差矩陣對系統(tǒng)最初得到的空間協(xié)方差矩陣估計進行改進，用于逼近真實的空間協(xié) 方差矩陣值。
[0035]對角加載模塊（104)，是在得到改進后的協(xié)方差矩陣估計值的基礎(chǔ)上，根據(jù)已成熟 的對角加載技術(shù)對協(xié)方差矩陣進行加載，得到加載后的空間協(xié)方差矩陣。
[0036]輸入矢量協(xié)方差矩陣（105)，是完成對角加載后的空間協(xié)方差矩陣，并同102模塊 一樣，保存在高速存儲器中，作為IQRD-SMI算法求解權(quán)向量的輸入。
[0037] 權(quán)向量生成模塊（106)是根據(jù)IQRD-SMI算法求解權(quán)向量的算法模塊，從而生成自 適應(yīng)波束。
[0038]緩存模塊（200)，是對單路通信信號的采樣進行緩存處理，然后通過采集周期性的 通信信號來模擬接收陣元的接收數(shù)據(jù)。
[0039]信號分離模塊（201)，是根據(jù)探測器之間的通信協(xié)議和預(yù)存參考信號模塊204的 信息對緩存后的信號進行分離，得到通信數(shù)據(jù)和參考信號的采樣值。
[0040]通信數(shù)據(jù)模塊（202)，是用于保存201模塊分離出來的探測器之間的通信信息的 模