一种基于对角减载的水声阵列Bartlett波束形成的方法

摘要

本发明属于水声信号处理领域，具体涉及一种基于对角减载的水声阵列Bartlett波束形成的方法。本发明通过数据采集得到M次独立快拍的阵列信号，得到自相关矩阵；分别采集并计算各个通道有信号和无信号时的输出功率，对所有通道计算结果取平均，得到有信号时的平均输出功率和无信号时的平均输出功率；计算得到最佳的减载系数λ；得到对角减载后的自相关矩阵；进行常规波束形成，得到对角减载后的波束形成结果。本发明提供了一种基于对角减载的水声阵列Bartlett波束形成的方法，提高了阵列的输出信噪比，计算简单，适用于复杂的水声信道环境中，工程上可广泛应用于舷侧声呐等声呐基阵阵元位置固定已知的水声阵列。

说明书

技术领域

本发明属于水声信号处理领域，具体涉及一种基于对角减载的水声阵列Bartlett波束形成 的方法。

背景技术

波束形成是指将一定几何形状排列的多元基阵各阵元输出经过处理形成空间指向性的方 法，波束形成使得声呐基阵能量集中，获得阵列增益，得到抗噪声及混响等的作用。由于波 束形成技术在声呐信号处理过程中的重要作用，多年来国内外学者一直致力于对其技术进行 改进和完善，其中提高阵列增益和波束的主旁瓣比是要解决的核心问题。

在水声信道中，由于信道的复杂性和低信噪比的影响，多重信号分类算法（MUSIC）（参 见：Adaptivity to Background Noise Spatial Coherence for High Resolution Passive Methods. 《Proc.ICASSP》,1980,1:307-310）和旋转子空间不变算法（ESPRIT）（参见： ESPRIT-Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques.《IEEE Trans. ASSP》,1989,37(7):984-995）等要求有较高信噪比的信号子空间类波束形成技术便不能发挥 其作用，Bartlett波束形成技术目前仍然是水声阵列信号处理的常用手段，并且在高斯白噪声 背景下，Bartlett是最佳波束形成器（参见：Bartlett波束形成的波束零限权设计,《哈尔滨工 程大学学报》，2008，29(12)：36-38；On the Performance of Energy Detection Using Bartlett’s  Estimate for Spectrum Sensing in Cognitive Radio Systems.《IEEE TRANSACTIONS ON  SIGNAL PROCESSING》,2012,60(7):3394-3404）,对角加载波束形成的方法（参见：Robust  adaptive beamforming using sequential quadratic programming:An iterative solution to the  mismatch problem.《IEEE Signal Processing Letters》，2008，15：733-736；On robust Capon  beamforming and diagonal loading.《IEEE Trans.on Signal Processing》,2003,51(7):1702-1715） 虽然能够很好的抑制噪声，然而当快拍数少和阵元位置存在误差时，该方法的性能显著下降， 同时还存在加载量难以确定的问题。因而，研究一种既适用于水声信道的复杂性和低信噪比 的情况，又能改善以往研究方法不足之处的方法是有必要的。

发明内容

本发明的目的在于针对水声阵列信号处理中受复杂的水声信道和低信噪比影响的问题， 提出了一种提高了阵列的输出信噪比，减载量的选取简单灵活的基于对角减载的水声阵列 Bartlett波束形成的方法。

本发明的目的是这样实现的：

（1）通过数据采集得到M次独立快拍的阵列信号X，为N×M维向量，由 R_x＝E[XX^H]得到自相关矩阵R_x，为N×N维向量，N为水听器阵列的阵元个数；

（2）分别采集并计算各个通道有信号和无信号时的输出功率，对所有通道计算结果取平 均，得到有信号时的平均输出功率和无信号时的平均输出功率

（3）基于步骤（2）计算得到的有信号和无信号时的平均输出功率，根据对阵列输出增 益或波束主旁瓣比的需求，计算得到最佳的减载系数λ；

（4）在步骤（1）中得到的自相关矩阵R_x的主对角线上乘以步骤（3）中求得的最佳减 载系数，得到对角减载后的自相关矩阵

（5）进行常规波束形成，得到对角减载后的波束形成结果。

有信号时的平均输出功率为无信号时的平均输出功率为

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种基于对角减载的水声阵列Bartlett波束形成的 方法，对角减载技术和Bartlett波束形成技术的结合，能够起到很好的抗噪声的作用，很大程 度上提高了阵列的输出信噪比，并且本发明中对角减载采用的减载量可根据实际工作中对于 阵列输出增益或者波束主旁瓣比的需求灵活选取，计算简单，适用于复杂的水声信道环境中， 工程上可广泛应用于舷侧声呐等声呐基阵阵元位置固定已知的水声阵列。

附图说明

图1为基于对角减载的Bartlett波束形成流程图。

具体实施方式

为了更加详细的对本发明进行阐述，下面结合附图对本发明实施过程进行举例说明。

声纳基阵的阵元位置是固定并且已知的，基阵接收信号。参照图1，实施过程如下：

（1）首先由数据采集器采集得到声纳基阵中各个阵元M次独立快拍的阵列信号X， 为N×M维向量，对阵列信号作自相关R_x＝E[XX^H]，得到阵列信号的自相关矩阵R_x， 为N×N维向量，N为水听器阵列的阵元个数；

（2）分别采集并计算各个通道有信号和无信号时的输出功率，记为 和对所有通道计算结果取平均，得到有信号时的 平均输出功率为无信号时的平均输出功率为

（3）下面进行对角线项上的减载系数的选择，以实际工作中需满足一定的阵列输出增 益为例，波束形成后目标方位上的阵列输出增益为

$G=10\lg \left(\frac{\left|{\omega }^H{\rho }_s\omega \right|}{\left|{\omega }^H{\rho }_n\omega \right|}\right)$

其中ρ_s、ρ_n分别为阵列输入平面波信号和噪声的归一化自相关矩阵，ω为Bartlett波束 形成权矢量，υ_k为Bartlett导向矢量。

若进行减载系数为λ的对角减载，则减载后得到${\rho }_s^{\lambda }=\left({\upsilon }_s{\upsilon }_s^H\right)+(\lambda -1)\times I,{\rho }_n^{\lambda }=\lambda \times I,$υ_s为平面波入射信号的方向矢量。当导向矢量对准目标时，即υ_k＝υ_s，得到基于对角减载的 Bartlett波束形成的阵列增益为

$G^{\lambda }=10\lg \left(\frac{N-1+\lambda }{\lambda }\right)$

因而，得到了阵列输出增益和减载系数的关系式，选取一定的阵列输出增益后，由该式 计算出最佳的减载系数。

（4）计算得到最佳减载系数后，在步骤（1）中得到的自相关矩阵R_x上乘以该减载系 数，得到对角减载后的自相关矩阵

（5）进行Bartlett波束形成，得到基于对角减载的Bartlett波束形 成后输出平均功率。

理想状态下，自相关矩阵可写为则不同通道间噪声信号互相关为 零，仅剩下对角线上的噪声自相关分量，为信号功率，为噪声功率， 因为噪声分量主要集中在对角线上，因而按照上述方式进行对角减载，很大程度上减小了噪 声影响，提高阵列的输出信噪比，并且减载系数可根据设定的阵列输出增益计算得到。

本发明的优点是：对阵列信号的自相关矩阵进行适当的对角减载，减载系数由实际工作 中对阵列输出增益或对主旁瓣比的要求进行优化选取，提高了Bartlett波束形成器的阵列增 益，改善了主旁瓣比，克服了以往波束形成技术的不足，提高了声纳基阵在水声信道中的检 测性能，方法简单易行，可广泛应用于阵元位置固定已知的所有声纳基阵中，本发明具有一 定的应用前景。