专利名称：一种近场聚焦波束形成定位法的制作方法
技术领域：
本发明涉及声纳数字信号处理领域，特别涉及一种近场聚焦波束形成定位法。
背景技术：
针对中远场目标的检测和测量，常用的水下被动定位法有三子阵定位法、目标运 动分析法及匹配场处理方法等。对于近场目标的精确定位，聚焦波束形成定位法则较为适 用。常规波束形成技术是基于远场平面波假设的，相当于一个空间滤波器，根据方位计算对 接收的声波进行延时补偿来获取信号的空间谱密度从而进行方位测量。但对于近场目标来 说，仅考虑方位而忽略距离因子的影响，常规波束形成技术不仅不能测距，而且对目标进行 定向也会出现问题。在这种情况下，就需要根据不同方向和距离上的延时对接收信号进行 球面波形式的补偿再相加，从形成的波峰中得到目标的方位和距离信息，这也就是针对近 场目标的聚焦波束形成技术。但是，随着水声弱信号的频率的不断降低，要想保持原有的探测性能，阵列孔径就 必须越来越大，这使得相应的工程应用越来越难于实现。鉴于此，利用扩展拖曳阵被动合成 孔径技术可以依靠短阵的机动获得长阵的各种好处，为利用短阵获得近场低频乃至甚低频 水声弱信号的精确定位提供一种可行的思路。被动合成孔径(PASA)是一种被动接收目标 噪声、通过阵列的运动和信号处理方法人工增加小孔径阵列长度的技术。常用的被动合成 孔径技术有两种扩展拖曳阵技术(ETAM)；快速傅里叶变换被动合成孔径技术(FFTSA)。前 者使用重叠相关器来估计快拍之间由介质和运动路径扰动引起的相位扰动，后者则是直接 将一定时间间隔内两个快拍信号的相位差作为常数，前者性能优异，后者便于利用FFT进 行快速计算，但却大大降低了性能。总体而言，聚焦波束形成技术对近场目标有效，但以往仅基于实际阵列使用，近场 范围有限，即能精确定位目标的距离受到实际阵列孔径的限制；被动合成孔径技术，尤其是 其中的扩展拖曳阵技术，有效地增大了阵列孔径，但以往未能与聚焦波束形成技术结合在 一起以实现较近处目标的精确定位。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种近场聚焦波束形成定位法，同时获取扩展拖曳阵技 术与近场聚焦波束形成定位方法的优势，对目标进行精确定位。为实现上述发明目的，本发明提出一种近场聚焦波束形成定位法。该方法基于 扩展拖曳阵被动合成孔径方法先得到虚拟阵列各阵元接收的信号在所要处理的频带范围 [ffflin, fmax]内的频域响应，然后，利用近场聚焦波束形成定位法对目标进行精确定位；其中， 频带范围[fmin，fmax]根据实际需要进行选取，只需满足fmin > 0，fmax不大于数据采样率的一 半即可。所述的扩展拖曳阵被动合成孔径方法包括具体步骤如下步骤1. 1)线阵中M个阵元在拖曳过程中接收声压时域信号，其中，M为线阵阵元数目，M为不小于2的整数；取ML+1次快拍的数据，每个快拍数据包含M路声压信号，其中， ML是孔径扩展的次数，ML > 0，根据实际需求来选取；按半个实际阵列的长度作为一次孔径 扩展的长度，即每次孔径扩展时重叠M/2个阵元，按照式(1)计算两次扩展即两个快拍之间 的时间间隔；
权利要求
1.一种近场聚焦波束形成定位法，该方法基于扩展拖曳阵被动合成孔径方法先得到虚 拟阵列各阵元接收的信号在所要处理的频带范围[fmin，fmax]内的频域响应，然后，利用近场 聚焦波束形成定位法对目标进行精确定位；其中，频带范围[fmin，fmax]根据实际需要进行选 取，只需满足fmin > 0，fmax不大于数据采样率的一半即可。
2.根据权利要求1所述的近场聚焦波束形成定位法，其特征在于，所述的扩展拖曳阵 被动合成孔径方法包括具体步骤如下步骤1. 1)线阵中M个阵元在拖曳过程中接收声压时域信号，其中，M为线阵阵元数目， M为不小于2的整数；取ML+1次快拍的数据，每个快拍数据包含M路声压信号，其中，ML是 孔径扩展的次数，ML > 0，根据实际需求来选取；按半个实际阵列的长度作为一次孔径扩展 的长度，即每次孔径扩展时重叠M/2个阵元，按照式(1)计算两次扩展即两个快拍之间的时 间间隔；
3.根据权利要求1所述的近场聚焦波束形成定位法，其特征在于，所述的近场聚焦波 束形成定位法步骤包括步骤2. 1)首先取近场扫描范围内的与第一个阵元之间的距离Rj,其中，Rj = R1, R2,…，Rnk共NR个扫描距离，其中，Rj小于近场范围即可，NR > 5，具体根据近场范围大小 和扫描精度来决定；在所需要处理的带宽内的每一个频点A上，针对方位角Φ k进行扫描， 其中，(K = Φ1;…，ΦΝΒ共NB个扫描角度，NB > 181，具体根据角度扫描精度来确定；采 用针对单频点的近场聚焦波束形成方法得到每一个频点上的空间功率谱输出；步骤2. 2)按照式(6)将各频点上的波束形成结果累加，得到阵列在距离Rj处各方位 上的功率输出；
4.根据权利要求3所述的近场聚焦波束形成定位法，其特征在于，所述的针对单频点 的近场聚焦常规波束形成方法具体步骤包括频点fi上的阵列响应按式(7)所示
5.根据权利要求3所述的近场聚焦波束形成定位法，其特征在于，所述的步骤2.1)采 用基于MVDR波束形成的聚焦定位方法得到每一个频点上的空间功率谱输出。
6.根据权利要求5所述的近场聚焦波束形成定位法，其特征在于，所述的步骤2.1)针 对单频点采用基于MVDR波束形成的近场聚焦定位方法具体步骤包括频点上的阵列响应为X(fi) = [ULUi)，Km^dV频点&上的数据协方差矩阵为R(fi) = X(fi) · X(fi)*当距离为Rj时，频点fi上的空间功率谱输出式(10)
全文摘要
本发明涉及一种近场聚焦波束形成定位法，该方法基于扩展拖曳阵被动合成孔径方法先得到虚拟阵列各阵元接收的信号在所要处理的频带范围[fmin，fmax]内的频域响应，然后，利用近场聚焦波束形成定位法对目标进行精确定位；其中，频带范围[fmin，fmax]根据实际需要进行选取，只需满足fmin＞0，fmax不大于数据采样率的一半即可。本发明将扩展拖曳阵被动合成孔径方法与近场聚焦波束形成定位方法有效地结合在一起，同时获取二者带来的好处。另外，波束形成运算在频域实现，将宽带信号分解为多个频点信号，对信号频带范围内的每个频点进行处理，最后将结果累加，处理性能如稳健性、分辨率等比直接在时域处理要更为优越。
文档编号G01S7/41GK101995574SQ201010534438
公开日2011年3月30日 申请日期2010年11月3日 优先权日2010年11月3日
发明者孙贵青, 曾雄飞, 李峥, 黄海宁 申请人:中国科学院声学研究所