[发明专利]一种快速宽带频域扩展拖曳阵波束形成方法

说明书

技术领域

本发明属于声纳数字信号处理领域，特别涉及一种快速宽带频域扩展拖曳阵波 束形成方法。

背景技术

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，可以使人们依靠短阵的机动获得长阵的各种 好处。如今，被动声纳已经广泛使用在众多海军系统中，如拖曳阵、舷侧阵、鱼类 声纳以及海底线列阵等，主要用来定位、检测、分类，或者对目标进行跟踪。近几 年来，随着人们对被动合成孔径的关注程度逐渐提高，其性能被不断加强。

现有的定位主要通过波束形成来实现，它利用目标信号到达不同阵元传感器的 时间差，通过相位补偿融合了每个传感器的接收信号，以提高输出信号的信噪比来 估计平面波信号的波达方向。实际上，目标辐射信号一般都是宽带信号，常规做法 首先将阵列信号进行时域FFT变换，然后针对每个频点的响应做单频点波束形成， 最后将所有频点的波束结果融合在一起，得到最终波束输出。

对于常规波束形成，输出信噪比、方位分辨率以及声纳作用距离随着阵长度的 增加而增大。但实际上，受平台机动以及各种因素限制，线列阵不能设计的太长， 从而制约了声纳的方位分辨率和作用距离。

随着计算性能的增加，通过处理阵列在空间和时间上接收的信号，根据已有小 孔径阵列虚拟出大孔径阵列已经成为可能，这就是现在被广泛研究的被动合成孔径 技术。阵列做匀速直线运动时，可以利用阵列在不同时间间隔上接收到信号存在的 相位差，进行信号相关融合，从而生成一个大的虚拟孔径。实际上，由于积分时间 内存在介质扰动，而且阵列在运动路径内也会出现不规则扰动，导致一定时间间隔 内阵元接收信号的相位差随之出现不确定的扰动，因此每进行一次被动孔径合成都 需要对相位变化进行补偿。

常用的被动合成孔径技术有两种：扩展拖曳阵技术(ETAM)，如文献1“S. Stergiopoulos，E.H.Sullivan，Extended towed array processing by an overlap correlator，J. Acoust.Soc.Am.，vol.86，pp.158-171，1989”；快速傅里叶变换被动合成孔径技术 (FFTSA)，如文献2“Stergiopoulos and Urban，A new passive synthetic aperture  technique for towed arrays，IEEE Journal of Oceanic Engineering，Vol 17，No.1，January 1992”。

ETAM使用重叠相关方法来估计快拍之间由介质和路径扰动引起的相位扰动。 文献3“S.Stergiopoulos，Optimum bearing resolution for a moving towed array and  extension of its physical aperture，J.Acoust.Soc.Am.，vol.87，pp.2128-2140，1990”评估 了ETAM算法的性能，它和最大似然估计器类似性能相当，当水听器接收信号的信 噪比大于0dB时，ETAM算法能够提供和实际阵列相比拟的波束估计。

FFTSA算法直接将一定时间间隔内两个快拍信号的相位差作为常数，而没有考 虑由于介质或运动偏差导致的相位扰动。其好处是简化了计算，使得孔径合成过程 可以直接用FFT算法代替进行，大大提高了计算速度；但是，速度的提高却是以降 低性能为代价换取的。

文献4“R.Rajagopal，P.Ramakrishna Rao，Performance comparison of PASA  beamforming algorithms，International Symposium on Signal Processing and its  Applications，ISSPA，Gold Coast，Australia，1996”表明，比较ETAM、FFTSA和最大似 然估计三种算法，无论在提高阵增益、检测概率(对于给定的虚警率)方面，还是 针对不同输入信噪比时空时相关的稳定性，ETAM算法都表现出更优异的性能。另 外，对于一个具有稳定动态声源谱的移动目标，仿真数据表明ETAM算法比FFTSA 具有更好的稳定性。