CN109814065A - 基于相位因子加权的波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位因子加权的波束形成方法，所述方法将阵列接收信号变换到波束域，然后计算波束序列信号频点处相位与幅度，求取相位因子及其方差，利用方差倒数加权计算波束输出功率，实现水下目标探测和DOA估计。本发明适用于窄带和宽带信号以及任意阵型，具有较好的稳健性，与常规波束形成方法相比，在不明显增加计算量情况下，能显著降低旁瓣，提高水下弱目标的探测性能。

Description

基于相位因子加权的波束形成方法

技术领域

本发明属于水声信号处理，涉及线阵或圆阵等任意形状的阵列，具体涉及一种基于相位因子加权的波束形成方法。

背景技术

常规波束形成方法在实际应用中，由于其不需要目标先验信息、稳健性好、计算量小、实时性好等优点，从而在声纳、通信、雷达等领域得到广泛运用，但常规波束形成方法的旁瓣高、分辨力受瑞利限限制，导致对弱目标的探测性能下降、空间分辨率低。改进的常规波束形成算法，利用波束序列相位因子的稳定性，在只增加少量计算量的同时，显著降低常规波束形成的旁瓣，减小主瓣宽度，提高弱目标的检测性能。该方法不受阵型限制，适用于窄带和宽带信号。

发明内容

发明目的：针对现有技术无法实现对弱目标信号的有效探测的问题，本发明提供基于相位因子加权的波束形成方法，降低常规波束形成的旁瓣，提高常规波束形成算法对弱目标信号的探测性能。

技术方案：基于相位因子加权的波束形成方法，所述方法基于波束序列相位因子的稳定性，将阵列接收信号变换到波束域，对波束序列计算相位因子，利用相位因子的方差得到加权后的波束输出功率；包括如下步骤：

(1)对接收信号分段作FFT，并计算波束输出；

(2)对每段数据的波束输出分别求取幅度值和相位值；

(3)对波束输出求取相位因子；

(4)计算各段相位因子的方差；

(5)利用步骤(4)中的方差倒数对波束输出功率进行加权，得到新的功率输出。

进一步的，步骤(1)所述接收信号表达式如下：

所述波束输出为：

其中y_m(t)为第m个阵元的接收信号，Y_i，k(θ)为扫描角θ处的波束输出，K为信源个数，A_k、f_k、分别为第k个信号的幅度、频率和初相，τ_m为源信号到第m个阵元的延时，M为阵元数，θ为扫描角度，θ₀为信号方位，为频域离散化后的信号频率，f_s为采样频率，d为阵元间距，c为声速，N为每段数据的长度。

进一步的，步骤(2)中对于第i段频点为k的信号的波束输出的幅度值和相位值分别如下：

其中，k为f_k对应的频点，f′_k为频点k对应的频率，f_s为采样频率，N为每段数据的长度，d为阵元间距，c为声速，θ为扫描角度，θ₀为信号方位角。

进一步的，步骤(3)中所求的相位因子为：

其中分别为第k个信号，第i段、第i+1段和第i+2段的相位。

进一步的，步骤(4)所述方差值计算表达式如下：

δ_k＝Var(ψ_i，k(θ))

其中Var(.)表示计算方差。

进一步的，步骤(5)所得到的新的波束功率输出为：

其中I为信号段数。

本发明将阵列信号变换到波束域后，计算波束序列信号频点处的幅度和相位，得到相位因子，计算相位因子方差加权后的波束输出功率，之后进行水下弱信号探测和DOA估计。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著的效果在于：本发明不仅保持了现有的波束形成方法不需要目标先验信息、稳健性好、计算量低、实时性好的特点；并且，该方法适用于线阵或圆阵等任意形状的阵列，能够显著降低常规波束形成的旁瓣，减小主瓣宽度，提高水下弱目标的探测性能。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明与常规波束形成的波束输出功率图。

具体实施方式

为了详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合说明书附图及具体实施方式对本发明做进一步的阐述。

本发明公开的是一种基于相位因子加权的波束形成方法，该方法步骤流程图如图1所示。

所述方法基于波束序列相位因子的稳定性，对波束序列求取相位因子，并利用相位因子的方差重新计算波束输出功率，包括如下步骤：

(1)对接收信号分段作FFT(傅里叶变换)，并计算波束输出；

(2)对每段数据的波束输出分别求取幅度值和相位值；

(3)对波束输出求取相位因子；

(4)计算各段相位因子的方差；

(5)利用步骤(4)中的方差倒数对波束输出功率进行加权，求得波束输出功率。

下面对上述步骤做具体的说明，以便本领域技术人员在现有技术的基础上理解该技术方案，且能够清楚的实施，并得到本发明所述的技术效果。

线列阵的水听器数目为M＝32，水听器间距d＝7.1429m，采样频率f_s＝1000Hz，声速c＝1500m/s，信号频率为f_o＝70Hz，快拍数据共I＝10段，每段N＝1024点数据，信噪比为SNR＝-20dB。

将接收数据分为I段，每段N点，得到接收阵列数据为：

其中，n_m为均值为0，方差为σ²的高斯白噪声，各个阵元的噪声相互独立；τ_m为第m个阵元的延时。

对接收数据分段进行FFT，得到第i段数据的频域接收阵列数据为：

对每段数据作频域波束形成得：

其中k为信号频率对应的频点，Xm(k)为第m个阵元、第k个频点的谱值。

对每段数据的波束输出计算幅度和相位：

A_i(θ)＝sqrt{Im²[Y_i(θ)]+Re²[Y_i(θ)]}

利用各段波束输出的相位值计算相位因子：

计算各段相位因子余弦值的方差：

δ_k＝Var(ψ_i，k(θ))

计算相位因子方差加权后的波束输出功率：

为了进一步的说明本发明的技术效果，图2给出了-20dB信噪比条件下基于相位因子加权的波束形成方法和常规波束形成方法的波束输出功率图，两种方法都能准确估计目标的方位，但基于相位因子加权的波束形成方法将波束图的旁瓣降低了约25dB，更有利于水下弱目标的探测，同时减小了主瓣宽度，提高了空间分辨率。

Claims (6)

1.基于相位因子加权的波束形成方法，其特征在于：所述方法基于波束序列相位因子的稳定性，将阵列接收信号变换到波束域，对波束序列计算相位因子，利用相位因子的方差得到加权后的波束输出功率；包括如下步骤：

(1)对接收信号分段作FFT，并计算波束输出；

(2)对每段数据的波束输出分别求取幅度值和相位值；

(3)对波束输出求取相位因子；

(4)计算各段相位因子的方差；

(5)利用相位因子的方差进行加权计算得到波束输出功率。

2.根据权利要求1所述的基于相位因子加权的波束形成方法，其特征在于：步骤(1)所述接收信号表达式如下：

所述波束输出为：

其中y_m(t)为第m个阵元的接收信号，Y_i，k(θ)为扫描角θ处的波束输出，K为信源个数，A_k、f_k、分别为第k个信号的幅度、频率和初相，τ_m为源信号到第m个阵元的延时，M为阵元数，θ为扫描角度，θ₀为信号方位，为频域离散化后的信号频率，f_s为采样频率，d为阵元间距，c为声速，N为每段数据的长度。

3.根据权利要求1所述的基于相位因子加权的波束形成方法，其特征在于：步骤(2)中对于第i段频点为k的信号的波束输出的幅度值和相位值分别如下：

式中：k为f_k对应的频点，f′_k为k对应的频率，f_s为采样频率，N为每段数据的长度，d为阵元间距，c为声速，θ为扫描角度，θ₀为信号方位角。

4.根据权利要求1所述的基于相位因子加权的波束形成方法，其特征在于：步骤(3)中所求的相位因子为：

其中分别为第k个信号，第i段、第i+1段和第i+2段的相位。

5.根据权利要求1所述的基于相位因子加权的波束形成方法，其特征在于：步骤(4)所述相位因子的方差如下：

δ_k＝Var(ψ_i，k(θ))。

6.根据权利要求1所述的基于相位因子加权的波束形成方法，其特征在于：步骤(5)相位因子方差加权后的波束输出功率为：

其中I为信号段数。