專利名稱：一種快速寬帶頻域擴(kuò)展拖曳陣波束形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于聲納數(shù)字信號處理領(lǐng)域，特別涉及一種快速寬帶頻域擴(kuò)展拖曳陣波束形成方法。

背景技術(shù)：
被動合成孔徑(PASA)是一種被動接收目標(biāo)噪聲、通過陣列的運(yùn)動和信號處理方法人工增加小孔徑陣列長度的技術(shù)，可以使人們依靠短陣的機(jī)動獲得長陣的各種好處。如今，被動聲納已經(jīng)廣泛使用在眾多海軍系統(tǒng)中，如拖曳陣、舷側(cè)陣、魚類聲納以及海底線列陣等，主要用來定位、檢測、分類，或者對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。近幾年來，隨著人們對被動合成孔徑的關(guān)注程度逐漸提高，其性能被不斷加強(qiáng)。
現(xiàn)有的定位主要通過波束形成來實(shí)現(xiàn)，它利用目標(biāo)信號到達(dá)不同陣元傳感器的時間差，通過相位補(bǔ)償融合了每個傳感器的接收信號，以提高輸出信號的信噪比來估計(jì)平面波信號的波達(dá)方向。實(shí)際上，目標(biāo)輻射信號一般都是寬帶信號，常規(guī)做法首先將陣列信號進(jìn)行時域FFT變換，然后針對每個頻點(diǎn)的響應(yīng)做單頻點(diǎn)波束形成，最后將所有頻點(diǎn)的波束結(jié)果融合在一起，得到最終波束輸出。
對于常規(guī)波束形成，輸出信噪比、方位分辨率以及聲納作用距離隨著陣長度的增加而增大。但實(shí)際上，受平臺機(jī)動以及各種因素限制，線列陣不能設(shè)計(jì)的太長，從而制約了聲納的方位分辨率和作用距離。
隨著計(jì)算性能的增加，通過處理陣列在空間和時間上接收的信號，根據(jù)已有小孔徑陣列虛擬出大孔徑陣列已經(jīng)成為可能，這就是現(xiàn)在被廣泛研究的被動合成孔徑技術(shù)。陣列做勻速直線運(yùn)動時，可以利用陣列在不同時間間隔上接收到信號存在的相位差，進(jìn)行信號相關(guān)融合，從而生成一個大的虛擬孔徑。實(shí)際上，由于積分時間內(nèi)存在介質(zhì)擾動，而且陣列在運(yùn)動路徑內(nèi)也會出現(xiàn)不規(guī)則擾動，導(dǎo)致一定時間間隔內(nèi)陣元接收信號的相位差隨之出現(xiàn)不確定的擾動，因此每進(jìn)行一次被動孔徑合成都需要對相位變化進(jìn)行補(bǔ)償。
常用的被動合成孔徑技術(shù)有兩種擴(kuò)展拖曳陣技術(shù)(ETAM)，如文獻(xiàn)1“S.Stergiopoulos，E.H.Sullivan，Extended towed array processing by an overlap correlator，J.Acoust.Soc.Am.，vol.86，pp.158-171，1989”；快速傅里葉變換被動合成孔徑技術(shù)(FFTSA)，如文獻(xiàn)2“Stergiopoulos and Urban，A new passive synthetic aperturetechnique for towed arrays，IEEE Journal of Oceanic Engineering，Vol 17，No.1，January1992”。
ETAM使用重疊相關(guān)方法來估計(jì)快拍之間由介質(zhì)和路徑擾動引起的相位擾動。文獻(xiàn)3“S.Stergiopoulos，Optimum bearing resolution for a moving towed array andextension of its physical aperture，J.Acoust.Soc.Am.，vol.87，pp.2128-2140，1990”評估了ETAM算法的性能，它和最大似然估計(jì)器類似性能相當(dāng)，當(dāng)水聽器接收信號的信噪比大于0dB時，ETAM算法能夠提供和實(shí)際陣列相比擬的波束估計(jì)。
FFTSA算法直接將一定時間間隔內(nèi)兩個快拍信號的相位差作為常數(shù)，而沒有考慮由于介質(zhì)或運(yùn)動偏差導(dǎo)致的相位擾動。其好處是簡化了計(jì)算，使得孔徑合成過程可以直接用FFT算法代替進(jìn)行，大大提高了計(jì)算速度；但是，速度的提高卻是以降低性能為代價換取的。
文獻(xiàn)4“R.Rajagopal，P.Ramakrishna Rao，Performance comparison of PASAbeamforming algorithms，International Symposium on Signal Processing and itsApplications，ISSPA，Gold Coast，Australia，1996”表明，比較ETAM、FFTSA和最大似然估計(jì)三種算法，無論在提高陣增益、檢測概率(對于給定的虛警率)方面，還是針對不同輸入信噪比時空時相關(guān)的穩(wěn)定性，ETAM算法都表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能。另外，對于一個具有穩(wěn)定動態(tài)聲源譜的移動目標(biāo)，仿真數(shù)據(jù)表明ETAM算法比FFTSA具有更好的穩(wěn)定性。
總體而言，ETAM算法比FFTASA算法具有無可比擬的性能優(yōu)勢，但計(jì)算速度較慢，可行性不高。實(shí)際應(yīng)用中需要一種能夠針對寬帶目標(biāo)信號快速合成孔徑、并進(jìn)行波束形成以獲得目標(biāo)方位的實(shí)時處理方法。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于，為克服現(xiàn)有的ETAM算法計(jì)算速度較慢，可行性不高且實(shí)際應(yīng)用中需要一種能夠針對寬帶目標(biāo)信號快速合成孔徑、并進(jìn)行波束形成以獲得更精確目標(biāo)方位的實(shí)時處理方法，從而提出一種快速寬帶頻域擴(kuò)展拖曳陣波束形成方法。
本發(fā)明所述的一種快速寬帶頻域擴(kuò)展拖曳陣波束形成方法，將ETAM被動合成孔徑技術(shù)和寬帶頻域波束形成方法結(jié)合在一起，形成了一種新的基于ETAM被動合成孔徑技術(shù)的寬帶頻域快速波束形成方法。該方法比常規(guī)波束形成方法具有更高的方位分辨率，對微弱目標(biāo)的檢測能力也更優(yōu)異，同時速度較快，便于實(shí)時處理。
一種線列陣聲納裝置，可以是一條拖曳陣，也可以是舷側(cè)陣，所述線列陣由多個水聽器組成。這里設(shè)實(shí)際陣元數(shù)目N，陣元間距d，陣做勻速直線運(yùn)動，速度v；目標(biāo)入射方向θ，陣元接收信號表示為x(t)；快拍長度為L。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種快速寬帶頻域擴(kuò)展拖曳陣波束形成方法，該方法將ETAM被動合成孔徑技術(shù)和寬帶頻域波束形成方法結(jié)合在一起，可用于對微弱目標(biāo)的檢測和定位，同時速度較快，便于實(shí)時處理；所述的方法包含如下步驟 1)用線陣接收空間信號，得到M個陣元的時域信號；取重疊陣元數(shù)目為N，其中N大于零且小于陣元數(shù)目，計(jì)算兩次快拍數(shù)據(jù)的時間間隔陣τ，即陣運(yùn)動N個陣元距離需要的時間，如圖1所示； 2)對第k快拍和第k+1快拍數(shù)據(jù)在時間域上做快速傅里葉變換； 3)確定目標(biāo)輻射信號的頻帶范圍[fmin，fmax]，根據(jù)第k快拍和第k+1快拍的重疊陣元計(jì)算相移參數(shù)ψk+1(fi) k表示快拍序號，n表示陣元序號，fi表示頻率，ρm(fi)表示第n陣元頻率fi的補(bǔ)償因子 4)對第k+1快拍、第M-N+1～M陣元信號的不同頻率分量分別進(jìn)行相位補(bǔ)償，將其虛擬成第k快拍的第M+1～M+N陣元；依次類推，這N個陣元信號可以虛擬成為第1快拍的第M+N*(k-1)+1～M+N*K陣元； 5)重復(fù)以上步驟，進(jìn)行K次的孔徑合成，可以虛擬得到MM＝M+N*K個陣元接收的信號在[fmin，fmax]范圍內(nèi)的頻域響應(yīng)； 6)對MM個陣元信號在空間域上補(bǔ)零，再對其在空間域上做FFT變換，然后將獲得數(shù)據(jù)的零頻分量移至譜中心； 7)在處理帶寬內(nèi)的每一個頻點(diǎn)上依據(jù)頻率——波束網(wǎng)格對其進(jìn)行校正，得到不同頻點(diǎn)的波束輸出； 8)合成不同頻率的波束形成結(jié)果，得到MM個陣元在不同方位上的功率輸出，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確定位。
上述技術(shù)方案，步驟1)所述的重疊陣元占陣元總數(shù)的一半，能取得更好的方向分辨率和技術(shù)效果。
作為本發(fā)明的一個改進(jìn)，所述的空間域FFT運(yùn)算結(jié)果用頻率——波束網(wǎng)格對其進(jìn)行校正得到單頻信號的波束輸出； 作為本發(fā)明的又一改進(jìn)，步驟6)所述的空間域采用補(bǔ)零法，所述的補(bǔ)零方法具體采用直接在原數(shù)據(jù)后直接補(bǔ)零，或在原數(shù)據(jù)中插值補(bǔ)零。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地，所述步驟6中，為了提高運(yùn)算速度，采用FFT代替來常規(guī)波束形成。如公式(7)所示，頻率fi的波束形成就是對所有陣元信號的單頻響應(yīng)進(jìn)行相位補(bǔ)償后做疊加運(yùn)算，得到不同方位的波束輸出。此過程與FFT運(yùn)算非常相似，公式(8)表示對陣元信號單頻響應(yīng)做FFT運(yùn)算。
對比公式(7)、(8)可以看出，波束方位θs和FFT變換域k存在一定對應(yīng)關(guān)系 即頻率——波束網(wǎng)格，這里k是FFT的運(yùn)算序號，fi表示頻率，d是陣元間距，θs是掃描方位，取值范圍0～180度，MM是陣元數(shù)目。也就是說波束輸出L(fi，θs)和陣列信號的空間域FFT運(yùn)算結(jié)果Y(fi，k)存在對應(yīng)關(guān)系，只要按照頻率——波束網(wǎng)格對陣列信號的空間域FFT運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行校正就能得到單頻信號的波束輸出。
空間域上補(bǔ)零的目的是保證陣元數(shù)目遠(yuǎn)大于波束數(shù)目，如公式(9)所示，當(dāng)陣元數(shù)目MM足夠大時，θs能夠平均分布在不同的k值上，這樣根據(jù)空間域FFT運(yùn)算得到的波束輸出也就越精確?？臻g域補(bǔ)零可以有多種選擇。既可以直接在原數(shù)據(jù)后直接補(bǔ)零，也可以在原數(shù)據(jù)中插值補(bǔ)零，只要補(bǔ)零后的數(shù)據(jù)長度滿足要求即可。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地，所述步驟7中的頻率——波束網(wǎng)格校正是預(yù)先產(chǎn)生的，根據(jù)公式(9)，計(jì)算方法如下所示，floor表示取整運(yùn)算。
采用FFT實(shí)現(xiàn)頻域波束形成需要依據(jù)頻率——波數(shù)網(wǎng)格進(jìn)行校正，該問題在文獻(xiàn)“Brian Maranda，Efficient digital beamforming in the frequency domain，1989，J.Acoustical Society of America”中有詳細(xì)的闡述。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，理解和實(shí)現(xiàn)該方法是可以勝任的。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于 (1)將ETAM被動合成孔徑技術(shù)和寬帶頻域波束形成方法結(jié)合在一起，形成了一種新的基于ETAM被動合成孔徑技術(shù)的寬帶頻域快速波束形成方法，比常規(guī)波束形成方法具有更高的方位分辨率，對微弱目標(biāo)的檢測能力也更優(yōu)異； (2)ETAM孔徑合成和波束形成運(yùn)算都在頻域?qū)崿F(xiàn)，采用快速傅立葉變換，將寬帶信號分解為多個頻點(diǎn)信號，只對信號頻帶范圍內(nèi)的每個頻點(diǎn)進(jìn)行處理，速度快，實(shí)時性好，算法穩(wěn)健性高； (3)海試數(shù)據(jù)證明有效。



圖1是現(xiàn)有的ETAM方法被動合成孔徑原理示意圖； 圖1-1本發(fā)明實(shí)施例中的ETAM方法被動合成孔徑原理示意圖； 圖2是現(xiàn)有技術(shù)中由艦船拖曳的常規(guī)線列陣示意圖； 圖3是本發(fā)明的算法流程圖； 圖4是采用本發(fā)明算法與未采用本發(fā)明算法處理得到目標(biāo)波束輸出對比； 圖5采用本發(fā)明處理結(jié)果和對同樣長度實(shí)孔徑陣列的波束處理結(jié)果對比； 圖6是對采用常規(guī)實(shí)孔徑波束形成處理海試數(shù)據(jù)得到的目標(biāo)方位歷程； 圖7是對采用本發(fā)明處理海試數(shù)據(jù)得到的目標(biāo)方位歷程。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。
本發(fā)明的基本構(gòu)思是常規(guī)陣列由于孔徑太短，輸出信噪比較小，導(dǎo)致方位分辨率不高，且作用距離較短。當(dāng)陣列做勻速直線運(yùn)動時，ETAM被動合成孔徑方法能夠根據(jù)相隔一定延時的兩個快拍信號之間的重疊陣元，計(jì)算由于傳播介質(zhì)和運(yùn)動誤差引起的相位擾動，然后對陣元信號進(jìn)行相位補(bǔ)償從而虛擬出大孔徑陣元，提高輸出信噪比，獲得更高的方位分辨率和更遠(yuǎn)的作用距離。但ETAM算法比較耗時，難以實(shí)時性處理。本發(fā)明直接在頻域?qū)拵繕?biāo)信號進(jìn)行ETAM孔徑合成，然后利用寬帶頻域快速波束形成算法對合成的陣列數(shù)據(jù)做波束形成，得到不同方位的功率輸出，從而快速精確得到遠(yuǎn)距離目標(biāo)的方位。
本發(fā)明提出的一種新的基于ETAM被動合成孔徑技術(shù)的寬帶頻域快速波束形成方法，包括如下步驟 步驟1用線陣接收空間信號，得到M個陣元的時域信號；取重疊陣元數(shù)目為

計(jì)算兩次快拍數(shù)據(jù)的時間間隔陣τ，即陣運(yùn)動

個陣元距離需要的時間，如圖1-1。
步驟2對第k、k+1快拍數(shù)據(jù)在時間域上做快速傅里葉變換，如第k快拍第m陣元的時域信號變換過程如下 步驟3確定目標(biāo)輻射信號的頻帶范圍[fmin，fmax]，根據(jù)第k快拍和第k+1快拍的重疊陣元計(jì)算相移參數(shù)ψk+1(fi) k表示快拍序號，m表示陣元序號，fi表示頻率，ρm(fi)表示第m陣元頻率fi的補(bǔ)償因子 步驟4對第k+1快拍、第

陣元信號的不同頻率分量分別進(jìn)行相位補(bǔ)償，將其虛擬成第k快拍的第

陣元。依次類推，這

個陣元信號可以虛擬成為第1快拍的第

陣元。也就是說每進(jìn)行一次孔徑合成，可以虛擬出

個陣元。
步驟5重復(fù)以上步驟，進(jìn)行K次的孔徑合成，可以虛擬得到

個陣元接收的信號在[fmin，fmax]范圍內(nèi)的頻域響應(yīng)。
到這一步為止，合成孔徑已經(jīng)結(jié)束，下面進(jìn)行快速寬帶頻域波束形成。
步驟6對MM個陣元信號在空間域上補(bǔ)零，再對其在空間域上做快速傅立葉變換，然后將獲得數(shù)據(jù)的零頻分量移至譜中心。
步驟7在處理帶寬內(nèi)的每一個頻點(diǎn)上依據(jù)頻率——波束網(wǎng)格對其進(jìn)行校正，得到不同頻點(diǎn)的波束輸出。
步驟8合成不同頻率的波束形成結(jié)果，得到MM個陣元在不同方位上的功率輸出。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地，所述步驟3中，ψk(fi)根據(jù)重疊陣元之間的相位偏差計(jì)算得到，表示第k、k+1快拍之間由介質(zhì)和路徑擾動引起的頻率fi的相位擾動。這正是ETAM被動合成孔徑的關(guān)鍵所在對不同頻率的相位擾動進(jìn)行實(shí)時補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)孔徑合成。ρm(fi)表示第m陣元頻率fi的補(bǔ)償因子，按照公式(4)計(jì)算得到。
實(shí)施例 下面結(jié)合某次海試數(shù)據(jù)和附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
試驗(yàn)參數(shù)拖曳陣水聽器數(shù)目M＝40，水聽器間距d＝1m；拖曳陣做勻速直線運(yùn)動，速度v＝3.2m/s，信號采樣率fs＝2000Hz。目標(biāo)頻帶范圍130～190Hz，方位125度，聲速c＝1516m/s，快拍長度N＝2048。
需要注意的是取的數(shù)據(jù)長度越長，數(shù)據(jù)矩陣維數(shù)越大，運(yùn)算速度會相應(yīng)減慢。為了保證運(yùn)算速度能夠滿足實(shí)時處理的要求，數(shù)據(jù)快拍長度不宜過大。一般FFT運(yùn)算點(diǎn)數(shù)在2048點(diǎn)及以下均能滿足要求。
采用基于ETAM被動合成孔徑技術(shù)的寬帶頻域快速波束形成方法，具體步驟如下 步驟1對應(yīng)圖3中的301、302、303，用拖曳陣接收空間信號，取第k、k+1快拍的信號在時間域上做2048點(diǎn)FFT運(yùn)算，得到快拍信號在不同頻率的響應(yīng)。如下式，N表示快拍長度，行表示時間采樣，列表示陣元。
這里兩個快拍之間的時間間隔τ取為拖曳陣勻速直線運(yùn)動

個陣元距離所用的時間，依照“發(fā)明內(nèi)容”中公式(1)可得 如圖1-1所示，這樣保證第k快拍、第21～40陣元和第k+1快拍、第1～20陣元在空間上重疊，為計(jì)算相位擾動做準(zhǔn)備。
步驟2對應(yīng)圖3中的304，根據(jù)k、k+1快拍之間重疊的20個陣元，計(jì)算目標(biāo)頻帶范圍內(nèi)的相位擾動。
需要說明的是，目標(biāo)頻帶范圍是130～190Hz，采樣率2000Hz，F(xiàn)FT長度2048點(diǎn)，那么目標(biāo)信號對應(yīng)的離散頻點(diǎn)是(130～190)/2000*2048＝(133～195)點(diǎn)，因此整個過程只需要對這一段頻率范圍進(jìn)行處理即可。
相位擾動計(jì)算公式如下 m表示陣元序號，fn表示離散頻點(diǎn)，按照前面的分析結(jié)果，n的取值范圍是133～195。ρm(n)表示第m陣元頻點(diǎn)n的補(bǔ)償因子 這里Q是補(bǔ)償因子的頻帶寬度，取為10。
步驟3對應(yīng)圖3中的305，對快拍k+1，第21～40的陣元數(shù)據(jù)進(jìn)行相位補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)孔徑合成。
具體做法是對每個陣元不同頻點(diǎn)的響應(yīng)Xk+1，m(n)分別作ψk+1(n)、ψk(n)、Λ、ψ2(n)的相位補(bǔ)償，如下式所示，將第k+1快拍、第20+m陣元虛擬到第1快拍、第40+20*(k-1)+m陣元。
步驟4重復(fù)步驟1、2、3，進(jìn)行K次孔徑合成，得到40+20*K個陣元的頻域信號XETAM，fmin～fmax表示目標(biāo)信號對應(yīng)的頻點(diǎn)范圍。
步驟5對應(yīng)圖3中的306，對ETAM被動合成孔徑得到的陣列頻域信號在空間域上補(bǔ)零，延長陣元長度至MP，再對其在空間域上做FFT運(yùn)算；將獲得數(shù)據(jù)的零頻分量移至譜中心。

式中，行fmin～fmax表示目標(biāo)信號的頻點(diǎn)范圍，列1～MP表示某頻點(diǎn)信號在空間域做FFT運(yùn)算后的序號。
空間域上補(bǔ)零的目的是保證陣元數(shù)目遠(yuǎn)大于波束數(shù)目，使得空間域FFT運(yùn)算結(jié)果和陣列波束輸出的對應(yīng)關(guān)系更加均勻，波束輸出也就越精確?？臻g域補(bǔ)零可以有多種選擇。既可以直接在原數(shù)據(jù)后直接補(bǔ)零，也可以在原數(shù)據(jù)中插值補(bǔ)零，只要補(bǔ)零后的數(shù)據(jù)長度滿足要求即可。本實(shí)例直接在原數(shù)據(jù)后延長補(bǔ)零。
將零頻分量移至譜中心是一種常用的處理方法，在許多文獻(xiàn)中都有說明，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，理解和實(shí)現(xiàn)該處理是可以勝任的。
步驟6對應(yīng)圖3中的307、308，在每一個頻點(diǎn)上依據(jù)頻率——波數(shù)網(wǎng)格對空域FFT運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行校正，得到不同頻點(diǎn)的波束輸出矩陣L，其行表示搜索方位，列表示不同的信號頻點(diǎn)。

步驟7對應(yīng)圖3中的309，將步驟6獲得數(shù)據(jù)矩陣L的每一行的共軛轉(zhuǎn)置與其自身相乘，結(jié)果即為在搜索方位上的輸出功率。
P＝L*LT＝[P(θ1) P(θ2) Λ P(θ180)]T 步驟9重復(fù)以上步驟，進(jìn)行下一次被動孔徑合成波束形成，得到下一個時刻的目標(biāo)方位功率輸出。
圖4對比了采用本發(fā)明前后，海試數(shù)據(jù)的波束輸出。紅色點(diǎn)劃線表示采用本發(fā)明得到的波束輸出，合成孔徑后陣元數(shù)目200；藍(lán)色虛線表示直接對40陣元實(shí)孔徑信號做頻域?qū)拵Рㄊ纬傻慕Y(jié)果。從圖中可以清楚看出，采用本發(fā)明得到的目標(biāo)波峰的半功率波束寬度是未采用本發(fā)明的三分之一，也就說本發(fā)明能夠有效提高目標(biāo)方位的分辨率。
圖5對比了采用本發(fā)明和對同樣長度實(shí)孔徑陣列的波束處理結(jié)果。紅色點(diǎn)劃線表示采用本發(fā)明，根據(jù)20陣元合成40陣元后的波束輸出；藍(lán)色虛線表示直接對40陣元實(shí)孔徑信號做頻域?qū)拵Рㄊ纬傻慕Y(jié)果。對比可以看出，兩種處理效果基本一致，也就是說本發(fā)明完全可以利用小孔徑陣列得到和實(shí)際大孔徑陣列同樣的方位分辨率和作用距離。需要說明的是，獲得這種好處存在一定前提在一次合成孔徑時間內(nèi)，陣列必須保持勻速直線運(yùn)動。
為了說明本發(fā)明的實(shí)時處理優(yōu)勢，專門統(tǒng)計(jì)了matlab程序處理海試數(shù)據(jù)需要的時間長度。信號采樣率fs＝2000Hz，數(shù)據(jù)快拍長度為2048點(diǎn)，直接對40陣元實(shí)孔徑信號做頻域?qū)拵Рㄊ纬纱蟾藕臅r0.06s；采用本發(fā)明大概耗時0.21s，合成孔徑后陣元數(shù)目200。實(shí)際上，長度為2048點(diǎn)的快拍數(shù)據(jù)對應(yīng)時間長度為2048/fs＝1.024s，可以看出，采用本發(fā)明完全可以實(shí)時處理海試數(shù)據(jù)。
圖6是直接對40陣元實(shí)孔徑信號做頻域?qū)拵Рㄊ纬傻姆轿粴v程圖，圖7是采用本發(fā)明得到的海試數(shù)據(jù)方位歷程圖，可以看出，本發(fā)明得到的目標(biāo)波束非常精細(xì)，更加有利于檢測遠(yuǎn)距離微弱目標(biāo)。
總之，本發(fā)明能夠快速實(shí)時得到高分辨的目標(biāo)方位功率輸出。
最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種快速寬帶頻域擴(kuò)展拖曳陣波束形成方法，該方法將ETAM被動合成孔徑技術(shù)和寬帶頻域波束形成方法結(jié)合在一起，可用于對微弱目標(biāo)的檢測和定位，同時速度較快，便于實(shí)時處理；所述的方法包含如下步驟
1)用線陣接收空間信號，得到M個陣元的時域信號；取重疊陣元數(shù)目為N，其中N大于零且小于陣元數(shù)目，計(jì)算兩次快拍數(shù)據(jù)的時間間隔陣τ，即陣運(yùn)動M-N個陣元距離需要的時間；
2)對第k快拍和第k+1快拍數(shù)據(jù)在時間域上做快速傅里葉變換；
3)確定目標(biāo)輻射信號的頻帶范圍[fmin，fmax]，根據(jù)第k快拍和第k+1快拍的重疊陣元計(jì)算相移參數(shù)ψk+1(fi)
k表示快拍序號，n表示陣元序號，fi表示頻率，ρn(fi)表示第n陣元頻率fi的補(bǔ)償因子
4)對第k+1快拍、第M-N+1～M陣元信號的不同頻率分量分別進(jìn)行相位補(bǔ)償，將其虛擬成第k快拍的第M+1～M+N陣元；依次類推，這N個陣元信號可以虛擬成為第1快拍的第M+N*(k-1)+1～M+N*K陣元；
5)重復(fù)以上步驟，進(jìn)行K次的孔徑合成，可以虛擬得到MM＝M+N*K個陣元接收的信號在[fmin，fmax]范圍內(nèi)的頻域響應(yīng)；
6)對MM個陣元信號在空間域上補(bǔ)零，再對其在空間域上做FFT變換，然后將獲得數(shù)據(jù)的零頻分量移至譜中心；
7)在處理帶寬內(nèi)的每一個頻點(diǎn)上依據(jù)頻率——波束網(wǎng)格對其進(jìn)行校正，得到不同頻點(diǎn)的波束輸出；
8)合成不同頻率的波束形成結(jié)果，得到MM個陣元在不同方位上的功率輸出，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速寬帶頻域擴(kuò)展拖曳陣波束形成方法，其特征在于，步驟1)所述的重疊陣元占陣元總數(shù)的一半。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速寬帶頻域擴(kuò)展拖曳陣波束形成方法，其特征在于，所述步驟6)中，采用FFT進(jìn)行波束形成，所述的波束輸出公式(7)如下；
所述的陣列信號的空間域FFT運(yùn)算公式如下
所述的波束方位θs和FFT變換域k關(guān)系如下
其中，k是FFT的運(yùn)算序號，fi表示頻率，d是陣元間距，θs是掃描方位取值范圍0～180度，MM是經(jīng)過ETAM合成孔徑運(yùn)算后的陣元數(shù)目。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速寬帶頻域擴(kuò)展拖曳陣波束形成方法，其特征在于，所述的空間域FFT運(yùn)算結(jié)果用頻率——波束網(wǎng)格對其進(jìn)行校正得到單頻信號的波束輸出；
所述的頻率——波束網(wǎng)格校正是預(yù)先產(chǎn)生的，計(jì)算公式如下所示，floor表示取整運(yùn)算；
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速寬帶頻域擴(kuò)展拖曳陣波束形成方法，其特征在于，步驟6)所述的空間域補(bǔ)零，具體采用直接在原數(shù)據(jù)后直接補(bǔ)零，或在原數(shù)據(jù)中插值補(bǔ)零。
全文摘要
本發(fā)明提出一種快速寬帶頻域擴(kuò)展拖曳陣波束形成方法，該方法將ETAM被動合成孔徑技術(shù)和寬帶頻域波束形成方法結(jié)合在一起，包含如下步驟1)用線陣接收空間信號，得到M個陣元的時域信號；取重疊陣元數(shù)目為N；2)對第k快拍和第k+1快拍數(shù)據(jù)在時間域上做快速傅里葉變換；3)確定目標(biāo)輻射信號的頻帶范圍，根據(jù)相鄰任意兩快拍的重疊陣元計(jì)算相移參數(shù)4)對不同頻率分量分別進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)玫教摂M的合成陣元；5)重復(fù)以上步驟，進(jìn)行K次的孔徑合成；6)對合成的陣元信號在空間域上補(bǔ)零做FFT變換，然后將獲得數(shù)據(jù)的零頻分量移至譜中心；7)在每一個頻點(diǎn)進(jìn)行校正，得到不同頻點(diǎn)的波束輸出；8)合成不同頻率的波束形成結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確定位。
文檔編號G01S7/539GK101813772SQ20101016326
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者李崢, 薛山花, 田彪, 李宇, 黃海寧 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所, 北京中科海躍科技有限責(zé)任公司