[发明专利]基于水听器幅度与相位自校准的稳健自适应波束形成方法

说明书

本发明涉及一种基于水听器幅度与相位自校准的稳健自适应波束形成方法，计算水听器阵列的数据协方差矩阵，对水听器幅度相位误差自校准，重构协方差矩阵，形成自适应波束。在本发明在利用阵列自校准技术，实现阵元幅度相位误差校准的同时得到目标方位估计，进而重构出噪声干扰协方差矩阵，完成稳健自适应波束形成。解决了现有稳健波束形成方法仅对于轻微阵列流形失配效果明显，且性能会受人工参数选择的影响。对于固定安装的水听器阵列，其幅度和相位误差是导致阵列流形失配的问题，使得在严重幅度相位失配情况下的能够实现稳健自适应波束形成方法。

技术领域

本发明属于阵列信号处理和水声探测等领域，涉及一种基于水听器幅度与相位自校准的稳健自适应波束形成方法，利用阵列自校准技术，实现阵元幅度相位误差校准的同时得到目标方位估计，进而重构出噪声干扰协方差矩阵，完成稳健自适应波束形成设计。

背景技术

波束形成技术通常是对空间分布的传感器阵列所采集的场信息进行线性加权求和处理，从而得到空间某一方位的波束输出。因此，波束形成器又被理解为空域滤波器，在声纳、雷达等领域得到广泛的应用。由于使用压电陶瓷的设计工艺，水听器阵列阵元间的幅度和相位差异较大，这种差异性会导致阵列流形失配，从而严重影响波束形成算法性能。

自适应波束形成器可以在干扰方位自适应产生凹槽，从而提高信干噪比(SINR,Signal to interference and noise ratio)。提高波束形成干扰抑制能力的一种有效措施是采用自适应波束形成技术，其中最为典型的是Capon于1969年提出的最小方差无失真响应(MVDR:Minimum variance Distortionless Response Beamforming)波束形成技术。它在保持波束指向方向信号无失真的条件下，通过使基阵输出功率最小来实现对干扰的有效抑制，具有较好的方位分辨能力和较强的干扰抑制能力。然而，MVDR波束形成方法的稳健性较差，当出现阵列流形误差时，其波束形成性能会急剧下降。

在被动声纳中，导致阵列流形误差的因素很多，主要包括：波达角(AOA,Angle-of-Arrival)误差、阵形校准误差和平面波假设的失配等。波达角误差主要有粗糙的空间扫描网格或者方位估计误差引起，导致假设的波达角与真实波达角存在误差；阵形校准误差主要是由传感器的幅频响应或相频响应的差异，传感器之间的耦合效应以及传感器位置误差引起；此外有限快拍数下协方差矩阵估计误差和阵列流形误差有着密切关系，采样协方差矩阵和真实协方差矩阵之间的估计误差可以等效成阵列流形误差。为了减小MVDR波束形成器对各种误差失配引起的性能下降，近四十年来大量的相关算法被提出。