一种鱼雷自导波束锐化方法
【专利摘要】本发明涉及一种可有效提高鱼雷对空间不同方位多个目标分辨能力的鱼雷自导波束锐化方法。其特点是针对鱼雷自导声基阵，通过对基阵各阵元接收信号选取不同加权系数进行加权求和，在空间相同方向同时形成主瓣窄而旁瓣高和主瓣宽而旁瓣低的两个波束，分别实现减小波束主瓣和抑制波束旁瓣。利用这两个具有不同主、旁瓣特性的波束信号及包络进行对应乘积加权的复合处理，在进一步锐化波束主瓣的同时降低旁瓣，以获取低旁瓣的锐化波束信号，提高波束方位分辨能力。该方法计算量小，稳健性好，适应能力强，特别是可适用于空间信号源数目未知或者各信源之间具有较强相关性的应用环境，具有较好的工程实用性，可有效提高鱼雷多目标空间方位分辨能力。
【专利说明】-种鱼雷自导波束锐化方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种有效提高鱼雷目标方位分辨能力的鱼雷自导波束锐化方法，属鱼 雷声自导【技术领域】，适用于鱼雷自导目标精确定向、多目标分辨W及目标精细特征识别等。
【背景技术】
[0002] 随着现代海战水下声对抗技术的快速发展，鱼雷的作战环境日益复杂，一方面，鱼 雷声自导系统的工作扇面内可能同时出现多个目标或诱巧，使鱼雷自导面临多目标环境。 另一方面，鱼雷通常不仅需要识别目标真假，而且需要提取大尺度目标不同部位声反射的 多亮点特征，有效分辨目标不同部位的亮点，分析各亮点空间分布结构，实现精确目标识 另IJ。因此，鱼雷需要能够有效分辨同一海区分布于不同空间方位的多个目标或者同一目标 体上分布于不同空间方位的多个声反射亮点，该种情况下，就要求鱼雷自导系统必须具有 很高的多目标空间方位分辨能力。
[0003] 鱼雷自导和声纳系统通常利用声基阵接收声信号并形成波束从而有效获取目标 空间方位信息，波束宽度是影响目标方位估计精度的重要因素。一般地，对于位于不同方向 波束的目标，可W根据波束方向确定目标方位，但对于位于同一波束内的不同目标，很难进 行有效区分和精确定向。因此，鱼雷自导系统对空间多个目标或目标亮点的有效分辨与方 位估计性能很大程度上直接取决于声基阵波束的尖锐程度。然而，鱼雷物理尺寸有限，波束 特性极大受制于声基阵物理孔径和工作频率的影响。在工作频率一定的条件下，阵列波束 宽度受到阵列的物理孔径限，常称"瑞利（Raylei曲）限"的限制，空间方位分辨能力有限。
[0004] 文献"王永良，陈辉，彭应宁，万群.空间谱估计理论与算法.清华大学出版 社，2004, 82?211"介绍了阵列信号处理的高分辨空间谱估计方法，包括子空间分解类算 法和子空间拟合类算法等。其中，子空间分解类算法可分为W MUSIC为代表的噪声子空间 类算法和W旋转不变子空间巧SPRIT)为代表的信号子空间类算法，其通过对阵列接收数 据的数学分解（如特征分解、奇异值分解、QR分解等），将接收数据划分为两个相互正交的 子空间，即与信号源的阵列流型空间一致的信号子空间和与其正交的噪声子空间，然后利 用该两个子空间的正交特性构造出尖锐的空间谱峰，实现方位估计，提高估计精度。子空间 拟合类算法包括信号子空间拟合和噪声子空间拟合，其相当于接收数据的子空间与实际信 号导向矢量组成子空间之间的拟合，都可W归结为多维参数的优化问题。与子空间分解类 算法相比，子空间拟合类算法估计性能更好，而且对相干源也能有效估计，但运算量更大。 总之，该些高分辨空间谱估计方法主要利用声基阵各阵元接收信号数据协方差矩阵的信号 和噪声子空间特性，通过复杂的矩阵运算求解空间声源的入射方向，其特点是在一定的基 阵物理孔径条件下，可W获得突破"瑞利限"的空间方位分辨力，因此，该些方法是有效提高 声基阵对空间不同方位目标分辨能力的重要途径之一。但是，该些方法要求的信号干扰比 高，运算复杂，对信号源数目、相关性等比较敏感，信号源数目未知或信源相关性强都可能 极大影响该些方法进行不同目标分辨的有效性，因此，在实际工程应用中的稳健性不理想。 同时，该些方法计算量很大，难W满足鱼雷对目标信号的实时处理要求，在鱼雷自导实际工 程应用中受到极大限制。
[0005] 文献"申请号为 6021096 的美国发明专利 Schlieter H, Eigenbrod 比 Method for the formation of radiated beams in direction finder systems. 2000, 2" 公开了一种 超波束（Hyper beam)锐化方法。该方法将声基阵分为左、右半阵，并利用左、右半基阵分别 形成空间相同主轴方向的左、右分裂波束，通过左、右分裂波束信号和与差的非线性运算， 形成空间与分裂波束相同主轴方向的新型超波束，并可通过调节超波束计算中的非线性因 子实现对超波束形状主要指标的调节和控制。因此，该方法特点是通过声基阵左、右半阵分 裂波束信号的非线性运算处理实现波束锐化，与传统的常规波束形成方法相比，其可W有 效锐化波束主瓣，同时可大大降低波束旁瓣，提高目标方位分辨能力。但是，该方法仅适用 于单目标环境，对于多目标环境，其波束锐化与目标方位分辨能力不具明显优势。也就是 说，对于只存在一个目标的情况，该方法可W在目标所在方向形成尖锐的波束，精确指示目 标的空间方位；但对于同时存在两个或多个目标的情况，该方法难W分辨各个目标的空间 方位。
【发明内容】
[0006] 为了鱼雷声自导系统在基阵物理孔径有限、工作频率不高的条件下，减小波束宽 度，提高鱼雷对自导扇面内同时存在于空间不同方位的多个目标的分辨能力，W及对大尺 度多亮点目标分布于空间不同方位的各个声反射亮点的分辨能力，W便进行鱼雷高分辨智 能化目标精细特征提取和图像识别，本发明提供一种鱼雷自导波束锐化方法。该方法针对 鱼雷自导声基阵，分别计算选取两组不同的阵元加权系数，通过对基阵各阵元接收信号的 数字处理，分别实现减小波束主瓣和抑制波束旁瓣的功能。在空间同一方向同时形成主瓣 窄、旁瓣高和主瓣宽、旁瓣低的两个波束，并利用该两个具有不同主、旁瓣特性的波束输出 信号，分别进行波束包络与波束信号对应乘积加权的复合处理，实现波束锐化和抑制旁瓣 的目的，最终得到主瓣宽度小、旁瓣低的锐化波束，提高波束方位分辨能力。
[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是；由于鱼雷自导常用的均匀平面声基 阵在水平或垂直平面内形成波束时可W等效为均匀线列阵模型，而对于均匀线列阵的波束 形成，利用不同阵元信号进行幅度加权是一种有效的波束主、旁瓣特性控制方法，即对不同 阵元的接收信号，选取适当的加权系数，可W得到接收波束不同的主瓣宽度和主旁瓣比等 特征参数。一般地，波束主瓣宽度减小时，则旁瓣升高，波束主旁瓣比减小；反之，波束旁瓣 降低、主旁瓣比增大时，则主瓣宽度也增大。因此，波束主瓣宽度和主旁瓣比是一对此消彼 长的参数，在实际应用中，通常需要在二者之间进行折衷考虑，选取适当的加权系数。因此， 基于该种阵元信号不同幅度加权系数可W调控阵列输出波束主旁瓣特性的原理，本方案提 出一种鱼雷自导声基阵接收信号波束锐化处理方法，该方法利用两组不同的声基阵阵元信 号加权系数，同时得到空间相同方向但具有不同主、旁瓣特性的两个波束，通过两个波束信 号的数字复合处理，实现波束锐化。其特点是通过对鱼雷自导声基阵各阵元接收信号选取 不同加权系数进行加权求和，在空间相同方向同时形成主瓣窄、旁瓣高和主瓣宽、旁瓣低的 两个波束，在此基础上，利用低旁瓣波束信号的包络对窄主瓣波束信号的幅度进行对应乘 积加权的复合处理，获取低旁瓣的锐化波束信号。
[000引一种基于上述鱼雷自导波束锐化的信号处理方法，其特点是包括下述步骤：
[0009] 步骤一；针对鱼雷自导一般采用的各阵元均匀排列的平面声基阵，如果需要对水 平方向目标进行精确定向或分辨，则可将平面阵垂直方向具有相同水平相位的每列阵元的 接收信号求和，并求其平均，使平面阵等效为水平均匀线列阵，平面阵中具有相同水平相位 的阵元列数即为等效阵元数；如果需要对垂直方向目标进行精确定向或分辨，则可将水平 方向具有相同垂直相位的每行阵元的接收信号求和，并求其平均，使平面阵等效为垂直均 匀线列阵，平面阵中具有相同垂直相位的阵元的行数即为等效阵元数；
[0010] 步骤二；对于等效的水平或垂直均匀线列阵，假设等效阵元数为N，W减小波束主 瓣宽度为目标，设定波束主旁瓣比为B，并取B为0地?3地，按照参考文献"田坦，刘国枝， 孙大军.声响技术.哈尔滨工程大学出版社，2000, 3. 67?73"介绍的方法计算一组加权 系数Ai，i = 1，2,…，N，并构建波束形成的幅度和相位综合加权系数Wi，i = 1，2,…，N，对 等效线列阵各阵元信号进行加权求和，得到波束1输出信号。该步骤具体包括如下子步骤：
[0011] 子步骤1 ;按照参考文献方法，根据阵元数N和要求的波束主旁瓣比B，计算各阵元 的幅度加权系数Ai，i = 1，2,. . .，N，令
[00。]
【权利要求】
1. 一种鱼雷自导波束锐化方法，其特征在于，利用两组不同的声基阵阵元信号加权系 数，同时得到空间相同方向但具有不同主、旁瓣特性的两个波束，通过两个波束信号的数字 复合处理，实现波束锐化。
2. -种如权利要求1所述的鱼雷自导波束锐化方法，其特点在于，具体包括下述步骤： 步骤一：针对鱼雷自导一般采用的各阵元均匀排列的平面声基阵，如果需要对水平方 向目标进行精确定向或分辨，则将平面阵垂直方向具有相同水平相位的每列阵元的接收信 号求和，并求其平均，使平面阵等效为水平均匀线列阵，平面阵中具有相同水平相位的阵元 列数即为等效阵元数；如果需要对垂直方向目标进行精确定向或分辨，则可将水平方向具 有相同垂直相位的每行阵元的接收信号求和，并求其平均，使平面阵等效为垂直均匀线列 阵，平面阵中具有相同垂直相位的阵元的行数即为等效阵元数； 步骤二：对于等效的水平或垂直均匀线列阵，假设等效阵元数为N，以减小波束主瓣 宽度为目标，设定波束主旁瓣比为B，并取B为OdB?3dB，计算一组加权系数Ai,i= 1，2,…，N，并构建波束形成的幅度和相位综合加权系数Wi,i= 1，2,…，N，对等效线列阵各 阵元信号进行加权求和，得到波束1输出信号； 步骤三：同样，对于上述等效阵元数为N的水平或垂直均匀线列阵及其各阵元接收信 号Xi,i= 1，2,…，N，以减小波束旁瓣为目标，设定波束主旁瓣比B为30dB?50dB，计算 另一组幅度加权系数A'i，i= 1，2,…，N;再根据需要形成的水平或垂直波束的主轴方向 9，构建其相应的幅度和相位综合加权系数W'i，i= 1，2,…，N;利用该加权系数，通过对 声基阵各阵元接收信号的加权求和，在与波束1相同方向上形成旁瓣低但主瓣相对较宽的 波束2,即
步骤四：解算波束2信号的复包络，具体解算方法如下： 如果鱼雷自导系统采用了实信号采样方法，则按照上述步骤得到的波束2是实信号， 对波束2的实信号进行Hilbert变换，首先将其变换为复信号，再按照下面复信号包络求解 方法解算波束2信号的复包络； 如果鱼雷自导系统采用了复信号采样方法，则按照上述步骤三得到的波束2是复信 号，可直接解算其复包络；假设波束2复信号Y2的采样数据长度为L，每个采样点的具体数 据为y2k=ak+bk*i，k= 1，2,…，L，则波束2信号的复包络为
步骤五：利用波束2信号的复包络与波束1信号进行对应乘积复合处理。即假设波束 1信号的采样数据序列为ylk=ck+dk*i，k= 1，2,…，L，则利用波束2信号复包络的每个采 样点数据5^与波束1信号对应同一时刻的采样点数据ylk进行乘积运算处理，得到乘积复 合处理后的信号为：
这样得到的信号zk，k= 1，2,…，L即为复合波束输出信号的采样数据序列。
3. -种如权利要求2所述的鱼雷自导波束锐化方法，其特点在于，所述步骤二具体包 括如下子步骤： 子步骤1 :按照参考文献方法，根据阵元数N和要求的波束主旁瓣比B，计算各阵元的幅 度加权系数Ai,i= 1，2,…，N，令
子步骤2 :根据需要形成的水平或垂直波束的主轴方向，利用Ai,i= 1，2,…，N，构建各 阵元信号的幅度和相位综合加权系数W1,W2,W3，…，WN_i，Wn，即
式（4)中，f?为信号频率，单位为Hz; 0为需要形成的水平或垂直波束主轴方向，单位 为rad，d为等效均匀线列阵的阵元间距，单位为m，c为水中的声波传播速度，单位为m/s。 子步骤3 :利用该加权系数Wi，i= 1，2,…，N，通过对等效均勾线列阵1?N各阵元接 收信号进行加权求和，在空间需要的方向上形成主瓣宽度小、旁瓣相对较高的波束1，即假 设等效均匀线列阵各阵元的接收信号分别为Xi,i= 1，2,…，N，则波束1输出为
【文档编号】G01S7/52GK104502904SQ201410566305
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年10月22日 优先权日:2014年10月22日
【发明者】樊书宏, 周晶, 赵水兵 申请人:中国船舶重工集团公司第七〇五研究所