[发明专利]一种基于扩展孔径声纳的变换域波束形成方法

说明书

本发明公开了一种基于扩展孔径声纳的变换域波束形成方法，属于水声信号处理领域。本发明包括：根据声纳系统指标要求，根据扩展孔径声纳的等效阵元相位中心原理，即一个发射阵元与一个接收阵元组成一个模块，此模块的相位中心位于两个阵元的几何中心，合理布置发射阵、接收阵的位置；按照布置的发射接收阵型，在发射基阵端，发射阵同时发射相互正交波形；接收阵接收目标的反射信号，即回波信号；对回波信号在变换域内分别进行接收波束形成处理，进行变换域滤波接收波束形成；对变换域接收波束形成处理之后的信号，对不同发射阵形成的时延差用波束形成补偿，进而获取扩展孔径声纳的距离向角度向声图。

技术领域

本发明属于水声信号处理领域，具体涉及一种基于扩展孔径声纳的变换域波束形成方法。

背景技术

近些年来，多波束图像声纳技术在海底地形地貌测绘、石油管线检测和水下目标探测领域得到了广泛的应用，为了获取高清晰度的声纳图像，需要同时提高声纳图像的距离向分辨率和角度向分辨率。

在宽带信号系统中，距离分辨率通常由接收信号的有效带宽决定，而角度分辨率通常由接收阵列的有效孔径和接收信号频率决定。在实际应用中，图像声纳在特定的应用领域内，改变其特定的工作频率范围将会导致其探测性能下降，因此，通常选用扩大声纳系统的有效接收阵列孔径来提高角度分辨率。

为了不增加阵列尺寸，降低换能器阵列的硬件成本，可以采用虚拟扩展孔径声纳来提高角度向分辨率，其工作原理是不同的发射阵发射正交波形，接收端经过匹配滤波进行发射信号分离，然后做接收和发射波束形成，达到扩展实际接收阵列孔径的目的。但在工程应用中，完全正交的信号是不存在的，则发射信号之间的高互相关性将会导致距离向旁瓣抬高，降低了声纳图像的距离向清晰度。

发明内容

本发明是这样实现的：

一种基于扩展孔径声纳的变换域波束形成方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一根据声纳系统指标要求，根据扩展孔径声纳的等效阵元相位中心原理，即一个发射阵元与一个接收阵元组成一个模块，此模块的相位中心位于两个阵元的几何中心，合理布置发射阵、接收阵的位置；若声纳接收阵列为一维阵列，则将两个发射阵布放在接收阵的两端，若声纳接收阵列为二维平面阵列，方位向和俯仰向都需要扩展，则在接收平面阵列的周围布放四个发射阵；设一均匀直线接收阵列，相邻阵元间距为半波长，阵元个数为M，阵列两端布置两个发射阵，则扩展孔径声纳的角度向波束宽度表示为

式中，BW为角度向的波束宽度，单位为弧度，λ为发射信号波长，d为相邻接收阵元间距，为波束偏置角，设定

设一均匀二维平面接收阵列，相邻阵元间距为半波长，水平向阵元个数为L，俯仰向阵元个数为Q，四个发射阵列布置在接收面阵的四个角，则水平向波束宽度和俯仰向波束宽度为：

其中，BW_θ为水平向波束宽度，为俯仰向波束宽度，d_θ为水平向相邻阵元间距，为俯仰向相邻阵元间距；

步骤二按照布置的发射接收阵型，在发射基阵端，发射阵同时发射相互正交波形，实际中不存在完全正交的信号，设计发射信号在变换域中特征不同的信号，以一维接收阵列为例，两个发射阵，发射两个不同频率的正弦信号，且两个信号的频率响应曲线-3dB无重叠，即频率无交叉，则此两个发射信号的频率特征不同；又如在不同中心频率的正负调频信号，则两个发射信号在STFT时频域具有不同的特征，即可认为两个发射阵发射的为正交信号；

s₁(t)＝cos(2πf₁t+K₁πt²)