CN110244286B - 一种高增益无左右舷模糊的阵列设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高增益无左右舷模糊的阵列设计方法，利用同样数目的水听器组成所述阵列的尺寸小、增益高、无左右舷模糊的效果，对比现有常规拖曳线列阵有明显改善。

Description

一种高增益无左右舷模糊的阵列设计方法

技术领域

本发明属于声学阵列信号处理、声纳信号处理等领域，适用于信号检测、波束形成降噪等领域，涉及一种高增益无左右舷模糊的阵列结构设计方法。

背景技术

拖曳线列阵声纳又称拖曳声纳，水听器被嵌入拖缆中，拖缆是由拖船或是潜艇尾部拖拽形成线列阵，侦测水下目标。主要用来窃听、监测、定位和识别水下目标的辐射噪音，有些也可以用来进行远距离测量。拖曳线列阵在探测中具有侦测水域大、高阵增益、精确定位、易回收维修等优点，但拖曳线列阵也存在诸多弊端：对于低频信号处理所需的孔径大，导致阵列尺寸大，对平台的存储空间需求巨大；单线拖曳线列阵声纳只具有一维的声纳孔径，不能充分利用空间信号场和噪声场的空间特性，导致探测时出现目标左右舷模糊问题等。

鉴于目前的拖曳线列阵尺寸较大以及左右舷模糊等问题较为突出。为实现利用较小尺寸的阵列高增益、无左右舷模糊的效果成为一个亟待解决的问题，必须设计新的阵列结构。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了克服现有方法的不足，本发明提供一种高增益、无左右舷模糊的阵列设计方法，可以用较小尺寸的阵列实现同样高的增益且无左右舷模糊的效果。

本发明的技术方案是：一种高增益无左右舷模糊的阵列设计方法，包括以下步骤：步骤一：定义均匀直线阵：在半径为r的圆环上将M个无指向性水听器均匀排列，构成圆环阵；将上述圆环阵作为阵元，布置L个圆环阵，构成间距为d的均匀直线阵，其中定义各个参数取值范围为：

r：0.5m～5.0m；M：5个～11个；

L：5个～12个；d：15m～60m；

步骤二：将每个圆环中M个水听器的接收数据进行MVDR波束形成处理，包括以下子步骤：

子步骤一：利用M个水听器在不包含期望信号时的数据计算出圆环阵的噪声协方差矩阵ρ_c：

其中，N为快拍数，x(t)表示第t个快拍时10个水听器组成的圆环阵接收到的数据，(·)^H表示共轭转置；

子步骤二：利用子步骤一中的噪声协方差矩阵ρ_c，求得单个圆环阵的MVDR波束形成器最优加权向量：

其中，上标“H”表示共轭转置，θ₀为垂直俯仰角，φ₀为水平方位角，P_c(θ₀,φ₀)＝[p₁(θ₀,φ₀),p₂(θ₀,φ₀),…,p_M(θ₀,φ₀)]^T为指向(θ₀,φ₀)的阵列流形向量，上标“T”表示转置，M为阵元个数，I为单位矩阵，ε为对角加载量，圆环阵共M个阵元，其中第m个阵元可表示为p_m(θ₀,φ₀)＝exp[jkr(sinθ₀sinφ₀cosθ_m-cosθ₀sinθ_m)]，θ_m＝2π(m-1)/M，m＝1,2,3...M一般取ε＝Std(diag(ρ_c))，Std表示标准差；

子步骤三：从而得到单个圆环阵的波束响应：

B_c(θ,φ)＝w_MVDR(θ₀,φ₀)^HP_c(θ,φ)

其中，P_c(θ,φ)＝[p₁(θ,φ),p₂(θ,φ),...,p_M(θ,φ)]^T为指向(θ,φ)的阵列流形向量，p_m(θ,φ)＝exp[jkr(sinθsinφcosθ_m-cosθsinθ_m)]，θ_m＝2π(m-1)/M，m＝1,2,3...M；

步骤三：对步骤二中得到的结果进行二级均匀直线阵的波束形成处理，包括以下子步骤：

子步骤一：计算L个圆环阵组成的直线阵的噪声协方差矩阵

其矩阵元素计算由下式给出：

其中，“*”表示复共轭，N(θ,φ)＝1，直线阵共L个阵元，其中第l个阵元表示为p_l(θ,φ)＝exp[-jk(l-1)dcosθ]，l＝1,2,3...L，l′＝1,2,3...L。

子步骤二：多个圆环阵组成的直线阵的MVDR波束形成器最优加权向量为：

为圆环阵为阵元的直线阵指向(θ₀,φ₀)方向的阵列流形向量，共L个阵元(圆环阵)，其中第l个圆环阵阵元表示为

p_l(θ₀,φ₀)＝exp[-jk(l-1)dcosθ₀]，l＝1,2,3...L，d为直线阵的阵元间距；

子步骤三：直线阵的波束响应为：

其中，

为圆环阵为阵元的直线阵指向(θ,φ)方向的阵列流形向量，共L个阵元(圆环阵)，其中第l个圆环阵阵元表示为

p_l(θ,φ)＝exp[-jk(l-1)dcosθ]，l＝1,2,3...L，d为直线阵的阵元间距；

子步骤四：圆环阵为阵元的直线阵的指向性与阵增益可由下式得到：

空间均匀噪声场中，指向性因子DF等于阵增益AG，指向性指数DI为指向性因子DF的分贝表示，有：

DI＝10log(DF)

最终可以得到所设计的由L个圆环阵组成的直线阵的阵增益与波束响应。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明提出一种高增益、无左右舷模糊的阵列结构设计方法，其有益效果体现在：利用同样数目的水听器组成所述阵列的尺寸小、增益高、无左右舷模糊的效果，对比现有常规拖曳线列阵有明显改善。

附图说明

图1：圆环阵示意图。

图2：L个圆环阵组成的直线阵坐标示意图。

图3：声压直线阵与圆环阵为阵元的直线阵不同波束方向的阵增益。

图4：波束方向为45°时声压直线阵与圆环阵为阵元的直线阵波束图。

图5：波束方向为90°时声压直线阵与圆环阵为阵元的直线阵波束图。

具体实施方式

参见图1-图5，一种高增益无左右舷模糊的阵列设计方法，其主要步骤如下：

第一步：在半径为r的圆环上将M个无指向性水听器均匀排列，将组成的圆环阵，利用圆环阵在全方位指向性一致的特点解决左右舷模糊的问题。为得到较高的增益，将上述圆环阵作为阵元，布置L个圆环阵，构成间距为d的均匀直线阵。为保证所述阵列具备稳健且较高的阵增益和较窄的波束主瓣，给出以上参数的取值范围：

r：0.5m～5.0m；M：5个～11个；

L：5个～12个；d：15m～60m；

在所述参数范围内，阵列均能达到较为好的阵处理效果，尤其当半径r较大时，水听器个数M和圆环阵个数L越大，阵增益越高、主瓣宽度越窄。

第二步：将每个圆环中M个水听器的接收数据进行MVDR波束形成处理，得到每个圆环阵的波束响应、波束图等。具体处理过程为：

利用M个水听器在不包含期望信号时的数据计算出圆环阵的噪声协方差矩阵ρ_c：

其中，N为快拍数，x(t)表示第t个快拍时10个水听器组成的圆环阵接收到的数据，(·)^H表示共轭转置。由噪声协方差矩阵可以求得单个圆环阵的MVDR波束形成器最优加权向量：

其中，上标“H”表示共轭转置，θ₀为垂直俯仰角，φ₀为水平方位角，P_c(θ₀,φ₀)＝[p₁(θ₀,φ₀),p₂(θ₀,φ₀),...,p_M(θ₀,φ₀)]^T为指向(θ₀,φ₀)的阵列流形向量，上标“T”表示转置，M为阵元个数，I为单位矩阵，ε为对角加载量，每个圆环阵共M个阵元，其中第m个阵元可表示为p_m(θ₀,φ₀)＝exp[jkr(sinθ₀sinφ₀cosθ_m-cosθ₀sinθ_m)]，θ_m＝2π(m-1)/M，m＝1,2,3...M，一般取ε＝Std(diag(ρ_c))，Std表示标准差。

单个圆环阵的波束响应可由下式得到：

B_c(θ,φ)＝w_MVDR(θ₀,φ₀)^HP_c(θ,φ)

其中，P_c(θ,φ)＝[p₁(θ,φ),p₂(θ,φ),...,p_M(θ,φ)]^T为指向(θ,φ)的阵列流形向量，p_m(θ,φ)＝exp[jkr(sinθsinφcosθ_m-cosθsinθ_m)]，θ_m＝2π(m-1)/M，m＝1,2,3...M。

第三步：将第二步中的处理结果汇总并进行二级均匀直线阵的波束形成处理，得到整个阵列的波束响应、阵增益等。具体处理过程为：

计算由L个圆环阵组成的均匀直线阵的波束响应与阵增益。为保证均匀直线阵具有较高阵增益，仍然采用MVDR波束形成方法。首先计算L个圆环阵组成的直线阵的噪声协方差矩阵

其矩阵元素计算由下式给出：

其中，“*”表示复共轭，N(θ,φ)＝1，直线阵共L个阵元，其中第l个阵元表示为p_l(θ,φ)＝exp[-jk(l-1)dcosθ]，l＝1,2,3...L，l′＝1,2,3...L。

多个圆环阵组成的直线阵的MVDR波束形成器最优加权向量，由下式得到：

为圆环阵为阵元的直线阵指向(θ₀,φ₀)方向的阵列流形向量，共L个阵元(圆环阵)，其中第l个圆环阵阵元表示为

p_l(θ₀,φ₀)＝exp[-jk(l-1)dcosθ₀]，l＝1,2,3...L，d为直线阵的阵元间距。

直线阵的波束响应由下式给出：

其中，

为圆环阵为阵元的直线阵指向(θ,φ)方向的阵列流形向量，共L个阵元(圆环阵)，其中第l个圆环阵阵元表示为

p_l(θ,φ)＝exp[-jk(l-1)dcosθ]，l＝1,2,3...L，d为直线阵的阵元间距。

圆环阵为阵元的直线阵的指向性与阵增益可由下式得到：

空间均匀噪声场中，指向性因子DF等于阵增益AG，指向性指数DI为指向性因子DF的分贝表示，有：

DI＝10log(DF)

现在结合附图对本发明做进一步的描述：

一种高增益、无左右舷模糊的阵列设计方法，其主要步骤如下：

第一步：在半径为3.0m的圆环上将10个无指向性水听器均匀排列，将组成的圆环阵，样式如图1所示。利用圆环阵在全方位指向性一致的特点解决左右舷模糊的问题。为得到较高的增益，将上述圆环阵作为阵元，布置10个圆环阵，构成间距为30m的均匀直线阵，样式如图2所示。

第二步：将每个圆环中10个水听器的接收数据进行MVDR波束形成处理，得到每个圆环阵的波束响应、波束图等。具体处理过程为：

利用10个水听器在不包含期望信号时的数据计算出圆环阵的噪声协方差矩阵ρ_c：

其中，N为快拍数，x(t)表示第t个快拍时10个水听器组成的圆环阵接收到的数据，(·)^H表示共轭转置。由噪声协方差矩阵可以求得单个圆环阵的MVDR波束形成器最优加权向量：

其中，上标“H”表示共轭转置，θ₀为垂直俯仰角，φ₀为水平方位角，P_c(θ₀,φ₀)＝[p₁(θ₀,φ₀),p₂(θ₀,φ₀),...,p_M(θ₀,φ₀)]^T为指向(θ₀,φ₀)的阵列流形向量，上标“T”表示转置，M＝10为阵元个数，ε为对角加载量取1×10^-11，I为单位矩阵，每个圆环阵共M个阵元，其中第m个阵元可表示为p_m(θ₀,φ₀)＝exp[jkr(sinθ₀sinφ₀cosθ_m-cosθ₀sinθ_m)]，θ_m＝2π(m-1)/M，m＝1,2,3...M。

单个圆环阵的波束响应可由下式得到：

B_c(θ,φ)＝w_MVDR(θ₀,φ₀)^HP_c(θ,φ)

其中，P_c(θ,φ)＝[p₁(θ,φ),p₂(θ,φ),...,p_M(θ,φ)]^T为指向(θ,φ)的阵列流形向量，p_m(θ,φ)＝exp[jkr(sinθsinφcosθ_m-cosθsinθ_m)]，θ_m＝2π(m-1)/M，m＝1,2,3...M。

第三步：将第二步中的处理结果汇总并进行二级均匀直线阵的波束形成处理，得到整个阵列的波束响应、阵增益等。具体处理过程为：

计算由10个圆环阵组成的均匀直线阵的波束响应与阵增益。为保证均匀直线阵具有较高阵增益，仍然采用MVDR波束形成方法。首先计算10个圆环阵组成的直线阵的噪声协方差矩阵

其矩阵元素计算由下式给出：

其中，“*”表示复共轭，N(θ,φ)＝1，直线阵共L个阵元，其中第l个阵元表示为p_l(θ,φ)＝exp[-jk(l-1)dcosθ]，l＝1,2,3...L，l′＝1,2,3...L。

多个圆环阵组成的直线阵的MVDR波束形成器最优加权向量，由下式得到：

为圆环阵为阵元的直线阵指向(θ₀,φ₀)方向的阵列流形向量，共L个阵元(圆环阵)，其中第l个圆环阵阵元表示为

p_l(θ₀,φ₀)＝exp[-jk(l-1)dcosθ₀]，l＝1,2,3...L，d＝30m为直线阵的阵元间距。

直线阵的波束响应由下式给出：

其中，

为圆环阵为阵元的直线阵指向(θ,φ)方向的阵列流形向量，共L个阵元(圆环阵)，其中第l个圆环阵阵元表示为

p_l(θ,φ)＝exp[-jk(l-1)dcosθ]，l＝1,2,3...L，d＝30m为直线阵的阵元间距。

圆环阵为阵元的直线阵的指向性与阵增益可由下式得到：

空间均匀噪声场中，指向性因子DF等于阵增益AG，指向性指数DI为指向性因子DF的分贝表示，有：

DI＝10log(DF)

图3是每个圆环阵由M＝10个声压水听器组成，L＝10个圆环阵组成的直线阵(总长330m)与M＝100的声压水听器阵列(总长742.5m)的阵增益的比较。由图可知，在不同的波束指向角度下，10个圆环阵组成的直线阵的阵增益(实线所示)均高于100元声压水听器阵的阵增益(虚线所示)。

图4为波束指向45°时(0°为端射方向)的两种阵列波束图的比较。图中可以明显看到100元直线阵(虚线所示)在45°、-45°处都出现主瓣，产生了左右舷模糊；10个圆环阵组成的直线阵(实线所示)仅在波束指向的方向，即45°方向有主瓣出现，无左右舷模糊。

图5为波束指向90°时(0°为端射方向)的两种阵列波束图的比较。图中可以明显看到100元直线阵(虚线所示)在90°、-90°处都出现主瓣，产生了左右舷模糊；10个圆环阵组成的直线阵(实线所示)仅在波束指向的方向，即90°方向有主瓣出现，无左右舷模糊。

综上所述，采用10个圆环阵组成的直线阵能够以较小的尺寸实现高增益、消除左右舷模糊的效果，有效地改善了常规拖线阵的缺陷。

Claims (1)

1.一种高增益无左右舷模糊的阵列设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：定义均匀直线阵：在半径为r的圆环上将M个无指向性水听器均匀排列，构成圆环阵；将上述圆环阵作为阵元，布置L个圆环阵，构成间距为d的均匀直线阵，其中定义各个参数取值范围为：

r：0.5m～5.0m；M：5个～11个；

L：5个～12个；d：15m～60m；

步骤二：将每个圆环中M个水听器的接收数据进行MVDR波束形成处理，包括以下子步骤：

子步骤一：利用M个水听器在不包含期望信号时的数据计算出圆环阵的噪声协方差矩阵ρ_c：

其中，N为快拍数，x(t)表示第t个快拍时10个水听器组成的圆环阵接收到的数据，(·)^H表示共轭转置；

子步骤二：利用子步骤一中的噪声协方差矩阵ρ_c，求得单个圆环阵的MVDR波束形成器最优加权向量：

， 其中，上标“H”表示共轭转置，θ₀为垂直俯仰角，φ₀为水平方位角，P_c(θ₀,φ₀)＝[p₁(θ₀,φ₀),p₂(θ₀,φ₀),…,p_M(θ₀,φ₀)]^T为指向(θ₀,φ₀)的阵列流形向量，上标“T”表示转置，M为阵元个数，I为单位矩阵，ε为对角加载量，每个圆环阵共M个阵元，其中第m个阵元可表示为p_m(θ₀,φ₀)＝exp[jkr(sinθ₀sinφ₀cosθ_m-cosθ₀sinθ_m)]，θ_m＝2π(m-1)/M，m＝1,2,3...M，取ε＝Std(diag(ρ_c))，Std表示标准差；

子步骤三：从而得到单个圆环阵的波束响应：

B_c(θ,φ)＝w_MVDR(θ₀,φ₀)^HP_c(θ,φ)

其中，P_c(θ,φ)＝[p₁(θ,φ),p₂(θ,φ),…,p_M(θ,φ)]^T为指向(θ,φ)的阵列流形向量，p_m(θ,φ)＝exp[jkr(sinθsinφcosθ_m-cosθsinθ_m)]，θ_m＝2π(m-1)/M，m＝1,2,3...M；

步骤三：对步骤二中得到的结果进行二级均匀直线阵的波束形成处理，包括以下子步骤：

子步骤一：计算L个圆环阵组成的直线阵的噪声协方差矩阵

其矩阵元素计算由下式给出：

其中，“*”表示复共轭，N(θ,φ)＝1，直线阵共L个阵元，其中第l个阵元表示为p_l(θ,φ)＝exp[-jk(l-1)dcosθ]，l＝1,2,3...L，l′＝1,2,3...L；

子步骤二：多个圆环阵组成的直线阵的MVDR波束形成器最优加权向量为：

为以圆环阵为阵元的直线阵中，指向方向为(θ₀,φ₀)的阵列流形向量，共L个阵元，其中第l个圆环阵阵元表示为

p_l(θ₀,φ₀)＝exp[-jk(l-1)dcosθ₀]，l＝1,2,3...L，d为直线阵的阵元间距；

子步骤三：直线阵的波束响应为：

其中，

为以圆环阵为阵元的直线阵中，指向方向为(θ₀,φ₀)的阵列流形向量，共L个阵元，其中第l个圆环阵阵元表示为

p_l(θ,φ)＝exp[-jk(l-1)dcosθ]，l＝1,2,3...L，d为直线阵的阵元间距；

子步骤四：以圆环阵为阵元的直线阵的指向性与阵增益可由下式得到：

空间均匀噪声场中，指向性因子DF等于阵增益AG，指向性指数DI为指向性因子DF的分贝表示，有：

DI＝10log(DF)

最终可以得到所设计的由L个圆环阵组成的直线阵的阵增益与波束响应。

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