[发明专利]一种非参数型高分辨波束形成方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及声纳阵列信号处理技术领域，更具体地，本发明涉及一种非参数型高分辨波束形成方法与装置。

背景技术

高分辨波束形成是声纳阵列信号处理技术领域中的一个重要课题，所谓“高分辨”主要是指所采用的波束形成方法相对于普通的时延(相移)波束形成方法具有更高的方位分辨能力。常用的高分辨波束形成方法主要可以分为参数型和非参数型两种，其中，参数型方法是指在信号统计特性先验已知的条件下能够取得高分辨的阵列信号处理方法，如多重信号分类方法(MUSIC)、基于旋转不变技术的信号参数估计方法(ESPRIT)。非参数型方法是指在信号统计特性先验未知的条件下依然能够取得高分辨的阵列信号处理方法，如Capon方法(P.Stoica and R.Moses，Spectral Analysis ofSignals，Prentice hall，pp275-341，2005)。

2000年，H.Schlieter等人根据两个子阵之间的和差运算得到一种称为“超波束”(Hyperbeam)技术，这种技术属于一种较好的非参数型方法，相比于传统的波束形成方法，可以得到更高的分辨性能和旁瓣水平。(参见：H.Schlieter，Method for the formation of radiated beams in directionfinder systems，US Patent 6021096，Feb.2000；H.Schlieter，Method forthree-dimensional beam forming in direction finding sys tems，US Patent6178140，Jan.2001；H.Schlieter，Passive sonar detection improvementby HyperBeam technique，UDT Europe 2006，Hamburg，Genmany)。

然而，由于水声信道的时空起伏性，需要确切掌握一定的信道先验知识的参数型高分辨波束形成方法在实际的水声应用中并不适用，因此，实际水声应用中一般使用的是非参数型波束形成方法。而“超波束”方法虽然能够取得比传统波束形成方法更高的分辨性能和旁瓣水平，但是由于其只将阵列分成两个子阵列进行运算，对低次旁瓣的抑制水平有限。

发明内容

为克服现有技术中对低次旁瓣的抑制水平有限的缺陷，通过对多个子阵的波束输出进行线性加权运算实现高分辨的目的，本发明提供了一种基于多子阵的非参数型高分辨波束形成方法与装置。

根据本发明的一个方面，提出了一种非参数型高分辨波束形成装置，包括：

接收水听器阵、多个子阵列波束形成器、逻辑运算器和波束合成器；

其中，所述接收水听器线列阵用于采集水声信号数据，并将水声信号数据划分为若干个子阵列形成的信号；所述多个子阵列波束形成器分别与所述接收水听器阵相连，用于对所述信号进行普通波束形成；所述逻辑运算器用于对所述普通波束进行逻辑运算，获得积累波束旁瓣估计；所述波束合成器用于对所述积累波束旁瓣估计进行开方运算，合成高分辨波束。

所述装置还包括幂运算器，用于对逻辑运算器输出的积累波束旁瓣估计进行幂运算，并输出给所述波束合成器，其中幂运算器的幂次通常取1或者2；所述波束合成器对所述幂运算器的输出进行相减后进行对应开方运算。

其中，所述逻辑运算器包括：多个减法器、多个绝对值器、多个分类求和器以及加权求和器；

其中，所述多个减法器分别与一个或者多个子阵列波束形成器相连，对所述普通波束进行逐对的减法运算，获得对波束旁瓣的估计；所述多个绝对值器中每一个与对应的一个减法器相连，用于对所连接的减法器的输出取绝对值；所述分类求和器分别与对应的绝对值器相连接，用于对绝对值器的输出进行归类求和，获得分类的积累波束旁瓣估计；所述加权求和器和多个分类求和器相连接，对归类求和器的输出进行加权求和，获得加权的积累波束旁瓣估计。

其中，所述子阵列波束形成器可以使用宽带延时波束形成或者是窄带频域波束形成。

其中，所述减法器首先对相邻的子阵列波束形成器的输出相减，然后对相隔一个子阵的子阵列波束形成器的输出相减，直至阵列两端的子阵列波束形成器的输出相减。

其中，所述分类求和器按子阵列之间的距离对所述减法器的输出进行分类求和，同时对子阵列的波束形成结果求和。