CN1246615A - 一种声纳波束处理方法及其数据处理*** - Google Patents
一种声纳波束处理方法及其数据处理*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种声纳波束处理方法及其数据处理***,采用“凹槽噪声场法”,求解最佳权系数矢量WOPT时引入从实测阵列数据估计的阵列流形α(θi),得到最佳权系数矢量WOPT。实现上述波束优化方法的阵列数据处理***,由计算机和数据采集卡组成,数据采集卡由数据缓冲器隔离器、握手电路、CPU、程序存储器和数据存储器以及译码电路组成的高速阵列数据采集卡。解决纯理论建模求解任意结构形状传感器阵列方向图的优化设计的难题。可以用于,***设计合理,使用方便。
Description
本发明涉及一种声纳波束处理方法及其数据处理***，主要用于水下任意形状传感器阵列的数据采集和波束图的优化设计。声纳波束图优化方法采用“凹槽噪声场法”和自适应阵处理技术完成，为支持本发明所提出的声纳波束处理方法而设计的数据处理***由数据采集和数据处理机组成。
声纳波束对主瓣形状、波束指向误差、束宽、副瓣级等有明确的要求。为解决声纳波束图的优化设计，理论上曾经提出过理想建模优化方法。如“凹槽噪声场法”，是一种纯理论建模波束优化方法。该方法提出了“凹槽噪声场法”和“任意形状传感器阵列方向图最佳优化设计”的概念，将自适应阵处理理论应用于任意形状的传感器基阵。但是，依靠理想化建模获得的结果，当其应用于实际声纳***时，所测得的波束图质量不佳。这是因为理论与实际存在的距离。在实际工程应用中，由于复杂的阵形结构会引起声遮蔽、散射和透射效应造成阵元响应的不一致；制造工艺的原因会造成基阵的形状和尺寸误差，这一切使得无法得到满足实际需要的波束图，出现了所测得的波束图性能严重偏离预期结果的现象。所以在工程应用中，一直希望能找到一种新的权系数优化方法，以便对任何实际的任意形状的传感器阵列均能得到实用的波束图。
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出了一种声纳波束处理方法及其数据处理***。本方法基于阵列数据重构阵列流形的自适应波束形成算法，完全建立在实测阵列数据基础之上。阵列数据处理***是一种独立于信号处理机的功能集成化的数字***，不仅可以实现阵列数据采集与波束图优化设计，而且能够做波束图测量。
本发明的思想在于解决实际工程中的任意几何形状传感器阵波束图的优化设计与测量。考虑对于一个给定的任意结构形状的传感器阵列，采用“凹槽噪声场法”，在保持主瓣方向和束宽一定以及输出噪声功率最小的条件下，应用自适应波束形成理论求解一组最佳权系数。设定阵列信号矢量为C，噪声矢量为X，W为最佳权系数，求得波束输出信号Y＝WT(X+C)；其特征在于：最佳权系数矢量WOPT的求取不再是理论求解所得到的
而是引入从实测阵列数据估计的阵列流形α(θi)后而求得的最佳权系数矢量WOPT。本发明提出的最佳权系数矢量WOPT由以下方法求得：首先对凹槽噪声场向量引入实测阵列流形α(θi)加以修正，并设由J个分别来自θ1，θ2，θ3，…θJ方向的零均值窄带噪声σi·N(t)，则
然后根据自适应建模波束优化方法期望输出信号即而得阵列数据的协方差矩阵
数据与期望信号的协方差矩阵
根据上述阵列数据的协方差矩阵和数据与期望信号的协方差矩阵求得最佳权系数矢量Wopt＝R-1·P。由于阵列流形中已经隐含了客观因素的作用，因此最佳权系数矢量WOPT起到了修正理论求解值所引起的偏差。这种改进的波束优化方法能获得理想的、满足实际需要的波束图。
本发明提出一种实现上述波束优化方法的阵列数据处理***，由计算机(2)和数据采集卡(1)组成，能够完成阵列数据采集、阵列波束图优化设计和阵列波束图测量。其特征在于：数据采集卡(1)是一种高速阵列数据采集卡，由数据缓冲隔离器(3)、握手电路(4)、CPU(5)、程序存储器(6)和数据存储器(7)以及译码电路(8)组成。握手电路(4)接收声纳的握手信号，CPU(5)控制数据缓冲隔离器(3)从声纳读入数据，当CPU(5)搜索到同步头之后，便按传感器序号把阵列数据存到数据存储器(7)中。当一批数据采集完毕，再把数据存储器(7)中的内容存入计算机(2)的硬磁盘。程序存储器(6)放置CPU(5)的执行程序，译码电路(8)产生程序存储器(6)和数据存储器(7)的片选信号。
附图说明：
图1：阵列数据处理***原理框图
图2：数据采集卡原理框图
图3：实施例框图1—数据采集卡 2—计算机 3—数据缓冲隔离器 4—握手电路 5—CPU6—数据存储器 7—程序存储器 8—译码电路 9—体积阵 10—信号预处理11—同轴电缆 12—解调装置
现结合实施例对本发明做进一步详述：
本实施例是利用本发明的一种阵列数据处理***，针对一个由64个阵元组成的体积阵完成的波束优化设计与波束图测量。阵列数据处理***的计算机(2)选用商用PC机，数据采集卡(1)的数据缓冲隔离器(3)采用三态输出总线传送接收器，握手电路(4)采用单稳态触发器，CPU(5)采用高速DSP芯片，程序存储器(6)采用高速RAM，数据存储器(7)采用多端口存储器，译码电路(8)采用GAL电路。
在***的前端，信号源是一个64阵元组成的体积阵(9)，阵列信号经过与体积阵(9)联结的信号预处理(10)和同轴电缆(11)送入解调装置(12)。解调的信号送入阵列数据处理***。阵列数据处理***根据采集的实际的阵列数据估计阵列流形α(θi)，计算R和P，求得最佳权系数矢量WOPT，再根据Y＝Wopt T·X计算得出波束输出信号，从而测绘出体积阵的全景多波束图。
本发明相比现有技术的优点在于：
基于阵列数据估计阵列流形的波束优化方法，解决了纯理论建模求解的优化权应用于实际声纳***时波束图严重变坏这一难题。本发明方法可以应用于任意结构形状传感器阵列方向图的优化设计，这是其他方法无法完成的。为实现本方法而设计的阵列数据处理***，可以完成复杂阵列波束图的优化设计与工程波束图测量。***设计合理，使用方便。
Claims (4)
1、一种声纳波束处理方法，对于任意几何形状传感器阵波束图的优化设计与测量，考虑对于一个给定的任意结构形状的传感器阵列，采用“凹槽噪声场法”，在保持主瓣方向和束宽一定以及输出噪声功率最小的条件下，应用自适应波束形成理论求解一组最佳权系数，设定阵列信号矢量为C，噪声矢量为X，W为最佳权系数，求得波束输出信号Y＝WT(X+C)；其特征在于：最佳权系数矢量WOPT的求取不再是理论求解所得到的
而是引入从实测阵列数据估计的阵列流形α(θi)后而求得的最佳权系数矢量WOPT。
2、如权利要求1所述的声纳波束处理方法，其特征在于：最佳权系数矢量WOPT由以下方法求得：首先对凹槽噪声场向量引入实测阵列流形α(θi)加以修正，并设由J个分别来自θ1，θ2，θ3，…θJ方向的零均值窄带噪声σi·N(t)，则
然后根据自适应建模波束优化方法期望输出信号
即而得阵列数据的协方差矩阵
数据与期望信号的协方差矩阵
根据上述阵列数据的协方差矩阵和数据与期望信号的协方差矩阵求得最佳权系数矢量WOPT＝R-1·P。
3、一种实现权利要求1的声纳波束处理方法的数据处理***，由计算机(2)和数据采集卡(1)组成，其特征在于：数据采集卡(1)是一种高速阵列数据采集卡，其组成为接受声纳同步信号的握手电路(4)联接CPU(5)，前置接收阵列数据的数据缓冲隔离器(3)、程序存储器(6)、数据存储器(7)以及译码电路(8)联接CPU(5)的总线上。
4、一种如权利要求3所述的数据处理***，其特征在于：数据采集卡(1)的数据缓冲隔离器(3)采用三态输出总线传送接收器，握手电路(4)采用单稳态触发器，CPU(5)采用高速DSP芯片，程序存储器(6)采用高速RAM，数据存储器(7)采用多端口存储器，译码电路(8)采用GAL电路。
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| CN 98112959 CN1110701C (zh) | 1998-09-02 | 1998-09-02 | 一种声纳波束处理方法及其数据处理*** |
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| CN (1) | CN1110701C (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100334464C (zh) * | 2003-06-19 | 2007-08-29 | 中国科学院声学研究所 | 一种利用插值滤波器进行声纳基阵信号仿真的方法 |
| CN101256234B (zh) * | 2008-04-15 | 2010-12-01 | 哈尔滨工程大学 | 一种透镜声场建模方法 |
| CN104765039A (zh) * | 2015-04-22 | 2015-07-08 | 国家深海基地管理中心 | 利用浅海声场空域特性提高被动声纳作用距离的方法 |
| CN104765037A (zh) * | 2015-04-22 | 2015-07-08 | 国家深海基地管理中心 | 基于短垂直阵的水下目标定位稳健方法 |
| RU2723145C1 (ru) * | 2019-11-18 | 2020-06-09 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Способ и устройство обнаружения шумящих в море объектов бортовой антенной |
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1998
- 1998-09-02 CN CN 98112959 patent/CN1110701C/zh not_active Expired - Fee Related
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