CN108957461A - 一种适用于水下长线阵的相位匹配波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种相位匹配波束形成方法，利用基阵频域数据设计加权系数矩阵，克服水下长线阵在实际海域使用时由于水声信道起伏引起声场相关性衰减所导致的波束形成阵增益下降问题，在接收信号空间相关性下降时，仍能够获得较高的阵增益。首先，将水下长线阵的时域接收数据变换到频域，然后，根据频域数据矩阵获得加权系数矩阵，最后，进行波束形成。本发明方法无需进行模态提取和信号相关性预估，也无需对接收数据协方差矩阵进行求逆，且在复杂海洋波导环境下仍可获得比常规波束形成、最小方差无失真响应波束形成和特征值波束形成更高的阵增益。

Description

一种适用于水下长线阵的相位匹配波束形成方法

技术领域

本发明属声呐阵列信号处理技术领域，具体涉及一种适用于水下长线阵的相位匹配波束形成方法。

背景技术

利用大孔径线列阵探测水下目标具有其独特的优势。但受海洋波导环境的影响，阵元间接收信号的空间相关性减弱，这将导致传统波束形成算法的阵增益下降，如常规波束形成(Conventional Beamformer,CBF)、最小方差无失真响应波束形成(MinimumVariance Distortionless Response Beamformer,MVDR)和特征值波束形成(EigenvalueBeamformer,EBF)等，进而影响声呐的探测性能。针对此问题，L Xie等在文献“L Xie,CSun,X H Liu,G Y Jiang.The array gain of conventional beamformer affected bystructure of acoustic field in continental slope area.Acta Phys.Sin,2016,65(14)144303.”中详细分析了陆架斜坡海洋波导环境中水平阵常规波束形成阵增益与水下声场之间的关系。文献“T.C.Yang,Modal beamforming array gain.J.Acoust.Soc.Am.,1989,85(1),146-151.”提出了一种模波束形成方法，该方法在浅海波导环境中能够获得较高的阵增益，但该方法需先进行模态提取，且只适用于波导环境不随距离变化的海域。HCox在文献“H Cox.Line array performance when the signal coherence is spatiallydepenent.J.Acoust.Soc.Am.1973,54(6),1743-1746.”中提出一种分子阵方法，在相关性下降较严重时，能够获得比全阵处理较高的阵增益，但子阵划分需预先对信号相关性进行估计，且其是以牺牲全阵处理性能为代价的，使得水下长线阵探测优势减弱。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种相位匹配波束形成方法(MatchedPhase weighting Beamforming,MPBF)，利用基阵频域数据设计加权系数矩阵，克服水下长线阵在实际海域使用时由于水声信道起伏引起声场相关性衰减所导致的波束形成阵增益下降问题，在接收信号空间相关性下降时，仍能够获得较高的阵增益。首先，将水下长线阵的时域接收数据变换到频域，然后，根据频域数据矩阵获得加权系数矩阵W_MP，最后，进行波束形成。本发明方法无需进行模态提取和信号相关性预估，也无需对接收数据协方差矩阵进行求逆等步骤，且在复杂海洋波导环境下(如波导环境随距离变化的陆架斜坡海域)仍可获得比常规波束形成、最小方差无失真响应波束形成和特征值波束形成更高的阵增益。

一种适用于水下长线阵的相位匹配波束形成方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对各阵元接收数据进行FFT变换，得到频域接收数据矩阵X；

步骤2：选取第1个阵元为参考阵元，其接收数据对应矩阵X中第一行向量X₁，令参考阵元的加权系数向量即加权系数矩阵W_MP中的第一行向量的元素均为1；对于第i个阵元，2≤i≤M，M为阵元总数，其接收数据对应矩阵X中第i行向量X_i，将X_i中信号所在频段的各频点数据取共轭，然后与第一行向量X₁中对应元素相乘，并将相乘结果的相位作为第i个阵元接收信号所在频段各频点的加权相位，非信号频段各频点的加权相位设为0，所有加权系数的幅度均设为1，以此获得第i个阵元的加权系数向量，即加权系数矩阵W_MP中的第i行向量；所有阵元的加权系数向量即构成加权系数矩阵W_MP；

步骤3：计算矩阵W_MP和矩阵X的Hadamard积，将该积作为加权之后的频域数据矩阵X_MP，并对X_MP中各阵元数据累加求和，得到波束输出y_MPBF。

本发明的有益效果是：该波束形成方法只需要利用频域接收数据矩阵作乘法和取共轭运算，算法复杂度低，便于工程实现，且能够获得高于传统的CBF、MVDR和EBF阵增益。克服了由于海洋声信道起伏引起声场相关性衰减所导致的基阵波束形成阵增益下降问题，尤其适用于水下长线阵在海洋环境变化较复杂的波导环境中探测水下目标，可以大幅度提高基阵波束形成阵增益，增加其探测距离。

附图说明

图1是本发明的一种适用于水下长线阵的相位匹配波束形成方法流程图

图2是本发明根据水下长线阵接收数据获得加权系数矩阵的原理框图

图3是本发明应用于陆架斜坡海域及各海洋环境参数示意图

图4是陆架斜坡海域上坡海洋波导环境声速剖面变化图

图5是水下长线阵距离声源30km时的CBF、MVDR、EBF和MPBF四种波束形成算法的阵增益随阵元个数变化曲线图

图6是水下长线阵距离声源50km时的CBF、MVDR、EBF和MPBF四种波束形成算法的阵增益随阵元个数变化曲线图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

根据水平阵接收数据矩阵构造波束形成加权系数矩阵，本发明提供了一种相位匹配波束形成方法(Matched Phase weighting Beamforming,MPBF)，改善水平阵在复杂海洋环境中探测水下目标的性能。

设声源辐射信号为窄带信号，M元均匀水平线列阵的第i个阵元接收信号为s_i，接收噪声为n_i。由帕斯瓦尔定律，可在频域分别计算输出信号功率和噪声功率。分别对s_i和n_i做FFT变换，得到接收信号和噪声频域数据S_i和N_i，则第i阵元的接收数据在频域可表示为：

X_i＝S_i+N_i (1)

阵增益(Array Gain,AG)定义为基阵输出信噪比与单个阵元信噪比之比：

式(2)中，SNR_array表示基阵输出信噪比，SNR_hyp表示单个阵元输出信噪比。对于三种传统波束形成算法(CBF、MVDR和EBF)，其阵增益可表示为：

式中(3)，w_i表示第i个阵元的加权系数，三种波束形成器分别对应三种不同的加权方式。

对于MPBF，第i阵元的加权是一个与X_i同维度的向量，则MPBF的阵增益可表示为：

式(4)中S_MP,i和N_MP,i分别表示第i个阵元加权之后的输出信号和输出噪声，即

式(5)中，符号表示Hadamard积。

如图1所示，本发明的MPBF算法计算流程如下：

1、对水平阵各阵元接收数据进行FFT变换，得到频域接收数据矩阵X。

设窄带信号带宽为[f_L,f_H]。对各阵元时域数据进行FFT变换，获得相应的频域数据，进而组成频域接收数据矩阵X，X中的每行元素分别对应着水平阵中一个阵元接收频域数据。

2、如图2所示，根据频域接收数据矩阵X，获得MPBF的加权系数矩阵W_MP。

选取水平阵的第1个阵元作为参考阵元，对应着X中第一行元素X₁，而相应的W_MP中第一行元素(即参考阵元的加权系数向量W_MP,1)均设为1。

取X第一行元素中[f_L,f_H]范围内各频点数据(信号所在频段的数据)，记为X_{1_sf}。通过下面的方法，分别获得W_MP中其他各行元素：取X第i行(2≤i≤M，M为阵元总数)元素中[f_L,f_H]范围内各频点数据记为X_{i_sf}。则W_MPi,中信号所在频段的各元素数值为：

式(6)中，“angle”表示取相位，“*”表示取共轭。而W_MP,i中非信号所在频段的数据均设为1，以此获得W_MP的第i行元素。按照如上过程即可得到加权系数矩阵W_MP。

3、求矩阵W_MP和矩阵X的Hadamard积，将该积作为加权之后的频域数据矩阵X_MP，并对X_MP中各阵元数据累加求和，获得波束输出。

即利用步骤1获得的频域接收数据矩阵X和步骤2计算出的加权矩阵W_MP，计算MPBF的波束输出y_MPBF为：

本实施例通过计算机数值仿真对本发明所提出的MPBF算法进行了检验，并与传统的常规波束形成(Conventional Beamformer,CBF)、最小方差无失真响应波束形成(Minimum Variance Distortionless Response Beamformer,MVDR)和特征值波束形成(Eigenvalue Beamformer,EBF)算法进行比较。仿真实例在典型的陆架斜坡海域上坡波导环境中实施，利用RAM-PE声场计算软件计算水声场数据。实例中考虑洋环境跨越深海、斜坡和浅海三种类型海域。其中，深海海域水深为5000m，自声源位置处延伸2km的距离到达斜坡海域；斜坡海域倾斜度为3.5°，跨越78km的距离，水深由5000m变化到229m；浅海海域水深为229m，延伸20km的距离。海水声速c＝1749m/s，海水密度ρ＝1941kg/m³，三种海域海底的声吸收系数均为0.5dB/λ。图3给出了仿真的陆架斜坡海域及各海洋环境参数。在100km跨度的陆架斜坡海域，海水声速剖面变化很大，假设浅海平坦海底海域是典型的浅海负梯度声速剖面，深海平坦海底海域声速剖面为标准的Munk曲线，声道轴深度为1300m。陆架斜坡过渡区域的声速剖面通过以下方式获得：仿真中首先给定深海声速剖面和浅海声速剖面，然后利用RAM-PE软件通过插值依次生成中间各距离段的声速剖面，差值步长为10km，各声速剖面如图4所示。设声源位于550m深度处，发射中心频率为190Hz，带宽为10Hz的窄带信号。由100个阵元组成的水平阵，阵元间距为4m，阵长为400m，布放深度为120m，假设水平阵接收噪声为各向同性噪声，阵元平均信噪比为-10dB。根据式(3)计算三种传统波束形成算法CBF、MVDR和EBF的阵增益，根据(4)式计算MPBF的阵增益。

当水平阵置于与声源水平距离为30km时，四种波束形成的阵增益随阵元个数变化曲线如图5所示。图中实线给出了理想情况下的阵增益。可以看出，当阵元个数较少时，阵增益随着阵元个数的增加而增大，四种波束形成器的阵增益基本相同，但MPBF阵增益的增加速度明显高于其他三种传统波束形成阵增益的增加速度。当阵元个数超过44个时，CBF和MVDR的阵增益不再随着阵元个数的增加而增大，而EBF和MPBF的阵增益继续随着阵元个数的增加而增大，此时MPBF的阵增益已明显大于其他三种波束形成的阵增益。

当水平阵置于与声源水平距离为50km时，四种波束形成的阵增益随阵元个数变化曲线如图6所示。图中实线给出了理想情况下的阵增益。可以看出，当阵元个数较少时，阵增益随着阵元个数的增加而增大，四种波束形成器的阵增益基本相同。但MPBF阵增益的增加速度明显高于其他三种传统波束形成阵增益的增加速度。当阵元个数超过44个时，CBF和MVDR的阵增益不再随着阵元个数的增加而增大，而EBF和MPBF的阵增益继续随着阵元个数的增加而增大，此时MPBF的阵增益已明显大于其他三种波束形成的阵增益。

Claims (1)

1.一种适用于水下长线阵的相位匹配波束形成方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对各阵元接收数据进行FFT变换，得到频域接收数据矩阵X；

步骤2：选取第1个阵元为参考阵元，其频域接收数据对应矩阵X中第一行向量X₁，令参考阵元的加权系数向量即加权系数矩阵W_MP中的第一行向量的元素均为1；对于第i个阵元，2≤i≤M，M为阵元总数，将其频域接收数据对应矩阵X中第i行向量X_i，将X_i中信号所在频段的各频点数据取共轭，然后与第一行向量X₁中对应元素相乘，并将相乘结果的相位作为第i个阵元接收信号所在频段各频点的加权相位，非信号频段各频点的加权相位设为0，所有加权系数的幅度均设为1，以此获得第i个阵元的加权系数向量，即加权系数矩阵W_MP中的第i行向量；所有阵元的加权系数向量即构成加权系数矩阵W_MP；

步骤3：计算矩阵W_MP和矩阵X的Hadamard积，将该积作为加权之后的频域数据矩阵X_MP，并对X_MP中各阵元数据累加求和，得到波束输出y_MPBF。