本發(fā)明涉及的是一種聲納信號處理方法，具體地說是一種寬帶信號主瓣干擾抑制的波束形成方法。

背景技術(shù)：

陣元接收的信號通過基陣接收系統(tǒng)波束形成處理后能夠形成設(shè)計(jì)的指向性；能夠?yàn)V除環(huán)境噪聲，提高信噪比；可以進(jìn)行空域?yàn)V波，抑制空間干擾；進(jìn)行多目標(biāo)分辨，提供目標(biāo)方位估計(jì)；可以為目標(biāo)定位或距離、深度估計(jì)創(chuàng)造條件；以及為目標(biāo)識別提供信息。相比于單頻信號，寬帶信號包含更充分的目標(biāo)信息，使其在目標(biāo)檢測、參量估計(jì)、目標(biāo)特征提取等方面具有更強(qiáng)的優(yōu)勢，因此關(guān)于寬帶信號的波束形成算法就具有更大的研究價(jià)值。

當(dāng)接收信號中含有干擾信號時(shí)，需要對干擾信號進(jìn)行抑制，當(dāng)干擾位于波束旁瓣時(shí)，解決方法較多，而位于主瓣時(shí)，解決方法較少。阻塞陣是常見的主瓣干擾抑制方法，目前阻塞陣主要還是針對窄帶信號，研究主波束畸變抑制等方向，對寬帶信號一般采取傳統(tǒng)的劃分子帶方法，缺乏針對性設(shè)計(jì)。常規(guī)寬帶阻塞陣性能相比于窄帶或單頻信號阻塞陣性能下降明顯，旁瓣高，不適于低信噪比條件。

因此研究專門的寬帶信號阻塞陣處理方法，改善性能寬帶阻塞陣性能具有實(shí)際工程意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種運(yùn)算速度快，能降低噪聲的影響的基于信號子空間聚焦的寬帶阻塞陣波束形成方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

步驟1、將信號帶寬等分為j個(gè)子帶，對接收信號做傅里葉變換，得到寬帶頻域快拍xj及協(xié)方差矩陣rj；

步驟2、將第j個(gè)子帶的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣rj做特征分解，獲得信號子空間uj和特征值λj；

步驟3、設(shè)定聚焦頻點(diǎn)f0(下角標(biāo)0表示聚焦頻率)，并設(shè)計(jì)第j個(gè)子帶的聚焦矩陣u0為聚焦頻率處的信號子空間；

步驟4、對第j個(gè)子帶數(shù)據(jù)進(jìn)行聚焦變換取均值作為寬帶聚焦下的協(xié)方差矩陣rt；

步驟5、設(shè)計(jì)聚焦頻點(diǎn)處的阻塞陣b，對聚焦后的數(shù)據(jù)進(jìn)行阻塞r＝brtb^h；

步驟6、利用權(quán)向量w對阻塞后的數(shù)據(jù)進(jìn)行波束形成，估計(jì)期望信號方位。

本發(fā)明還可以包括：

1、步驟1具體包括：接收站的寬帶頻域輸出記為x＝[x1,x2,...,xj,...xj]，式中，第j個(gè)子帶頻域輸出表示為xj＝aj(θs)ssj+aj(θi)sij+nj；ssj，sij分別為期望信號與干擾信號，aj(θs)，aj(θi)分別為二者的導(dǎo)向矢量，nj為噪聲，協(xié)方差矩陣

2、步驟2具體包括：特征分解表示為uj為信號子空間，λj為特征值，為方差，i為單位矩陣。

3、步驟3具體包括：聚焦矩陣tj滿足是酉矩陣。

4、步驟4具體包括：聚焦后第j個(gè)子帶的協(xié)方差矩陣為取均值作為寬帶聚焦下的協(xié)方差矩陣。

5、阻塞陣b表示為

為干擾信號在f0處相鄰陣元間的相位差，阻塞后的協(xié)方差矩陣r＝brtb^h。

6、權(quán)向量w＝r^-1a′0/(a′0^hr^-1a′)，a′0＝bb^ha0，a0為f0處的的導(dǎo)向矢量。

為解決干擾信號位于主瓣內(nèi)時(shí)，常規(guī)寬帶阻塞陣性能下降問題，本發(fā)明結(jié)合寬帶聚焦思想，提出了一種基于信號子空間聚焦的寬帶阻塞陣波束形成方法(簡稱子空間聚焦阻塞陣)。

本發(fā)明通過寬帶聚焦減少了寬帶阻塞次數(shù)，提高了運(yùn)算速度；采取將信號子空間聚焦到同一頻點(diǎn)而非將信號成分聚焦到同一頻點(diǎn)，能降低噪聲的影響，提高主旁瓣比；同時(shí)聚焦矩陣為酉矩陣，不會改變輸出信噪比，也不破壞噪聲的統(tǒng)計(jì)特性。

附圖說明

圖1是聲納平面波遠(yuǎn)場接收示意圖。

圖2是基于信號子空間聚焦的寬帶阻塞陣波束形成流程圖。

圖3a-圖3d是常規(guī)寬帶阻塞陣波束形成仿真結(jié)果，其中：圖3a，θi＝2°；圖3b，θi＝5°；圖3c，θi＝10°；圖3d，θi＝30°。

圖4a-圖4d是子空間聚焦阻塞陣波束形成仿真結(jié)果，其中：圖4a，θi＝2°；圖4b，θi＝5°；圖4c，θi＝10°；圖4d，θi＝30°。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明提供的基于信號子空間聚焦的寬帶阻塞陣波束形成方法。

在本實(shí)施例中，圖1為聲納平面波遠(yuǎn)場接收示意圖，圖中期望回波和干擾回波都來自遠(yuǎn)場。

圖2為基于信號子空間聚焦的寬帶阻塞陣波束形成方法示意圖。根據(jù)本實(shí)施例，處理流程如下：

首先將寬帶信號帶寬等分為j個(gè)子帶，對其做傅里葉變換，將接收站的寬帶頻域輸出記為

x＝[x1,x2,...,xj,...xj]

其中第j個(gè)子帶頻域輸出可表示為

xj＝aj(θs)ssj+aj(θi)sij+nj

其中，aj(θs)為信號導(dǎo)向矢量；aj(θi)為干擾導(dǎo)向矢量；ssj為信號頻域輸出；sij為干擾頻域輸出；nj為第j個(gè)子帶的噪聲頻域輸出。

第j個(gè)子帶的協(xié)方差矩陣可表示為對其特征分解可得

式中uj是信號子空間，λj是特征值，為方差，i為單位矩陣。寬帶聚焦的核心是將各頻率信號成分搬移到相同頻率上，進(jìn)行統(tǒng)一處理。將信號子空間聚焦到相同頻點(diǎn)也可達(dá)到此目的。

記x0為聚焦頻點(diǎn)處的頻域數(shù)據(jù)，同時(shí)以下角標(biāo)“0”表示聚焦頻率。選取中心頻率作為聚焦頻率。設(shè)計(jì)聚焦頻率如下

其中u0為聚焦頻率處的信號子空間。

對第j個(gè)子帶數(shù)據(jù)進(jìn)行聚焦變換

聚焦變換將各個(gè)頻點(diǎn)的信號子空間統(tǒng)一在了聚焦頻點(diǎn)上。并且滿足

其中聚焦矩陣tj是酉矩陣，則變換不改變輸出信噪比，也不破壞噪聲的統(tǒng)計(jì)特性。

將變換后的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣記為并且取均值作為寬帶聚焦下的協(xié)方差矩陣

設(shè)計(jì)聚焦頻點(diǎn)處的阻塞陣表示為

其中，為干擾信號在聚焦頻率f0處相鄰陣元間的相位差。

對聚焦后的數(shù)據(jù)進(jìn)行阻塞，阻塞后的協(xié)方差矩陣表示為r＝brtb^h。

權(quán)向量可以表示為

w＝r^-1a′0/(a′0^hr^-1a′)

其中a′0＝bb^ha0，a0為聚焦頻率f0處的導(dǎo)向矢量。

利用權(quán)向量對阻塞后的數(shù)據(jù)進(jìn)行波束形成，估計(jì)期望信號方位。

下面結(jié)合具體仿真實(shí)例，比較本發(fā)明提出的基于信號子空間聚焦的寬帶阻塞陣與常規(guī)寬帶阻塞陣性能。

信號為寬帶噪聲信號，中心頻率8khz，帶寬2khz，脈寬100ms。采用16元均勻線陣，半波長間距(對應(yīng)中心頻率)。在信號帶寬內(nèi)以100hz寬度劃分子帶。圖3a-圖3d為常規(guī)寬帶阻塞陣波束形成仿真結(jié)果圖，圖中期望信號在0°方向，干擾信號分別來自2°、5°、10°、30°方向，snr＝10db，inr＝-40db。干擾信號角度大于5°時(shí)，常規(guī)寬帶阻塞陣能夠有效抑制干擾信號，并在期望信號方向形成正確的波束輸出，但當(dāng)干擾信號角度為2°時(shí)，盡管實(shí)現(xiàn)了干擾抑制，但零陷使得期望信號方向的波束主瓣低于旁瓣，性能影響較大。

圖4a-圖4d為子空間聚焦阻塞陣波束形成仿真結(jié)果圖。采用子空間聚焦算法預(yù)先處理能改善常規(guī)寬帶阻塞陣性能，在干擾信號角度為2°時(shí)，主瓣位置正確且高于旁瓣，在干擾信號角度大于5°時(shí)，子空間聚焦阻塞陣測向準(zhǔn)確，且整個(gè)區(qū)間都有較低的旁瓣。與圖3a-圖3d對比可知，子空間聚焦阻塞陣相比于常規(guī)寬帶阻塞陣，能夠有效提高主旁瓣比，在干擾與期望信號相距較近時(shí)，仍能在有效抑制干擾的同時(shí)分辨出期望信號方位。