[发明专利]一种基于聚焦归位原理的水声阵列信号处理方法

说明书

本发明公开一种基于聚焦归位原理的水声阵列信号处理方法，属于水声信号与数据处理领域。本发明借助克希霍夫积分公式，对阵列接收信号的数字记录实施聚焦归位，能求出声源的方位与距离信息，解决了水声阵列信号处理中波束形成只能定向而不能测距的问题，且具有阵元间距不受半波长限制、对窄带信号和宽带信号同样适用以及对部分阵元失效仍有较好鲁棒性的特点，利于大规模组阵来获得空间增益。

技术领域

本发明属于水声信号处理与数据领域，更具体地，涉及一种基于聚焦归位原理的水声阵列信号处理方法。

背景技术

目前声波是迄今为止发现的在水中传播性能最佳的能量形式。水面舰船和其他水中平台装备的声纳系统通过利用声波来进行水中目标探测、定位与跟踪、水下通信和海洋测量。为了提高声纳系统的性能，性能优良的水声阵列成为必须。现在声纳阵列正朝着低频、大孔径的方向发展。同时随着海洋环境噪声级的增加以及目标消声与隐身技术的不断发展，水声阵列接收信号的信噪比大大降低，这对水声阵列信号处理提出了更高的要求。水声阵列信号处理通过减弱空间干扰和噪声以获得空间增益并形成空间波束进行方位估计。

波束形成是水声阵列信号处理的主要组成部分，波束形成就是对不同阵元接收数据进行包括加权、延迟以及求和等一系列的运算以达到波束定向的目的。无论是在主动声纳还是被动声纳的阵列信号处理中都要使用波束形成算法。这一方面是为了获得足够大的信噪比，另一方面是为了提高对目标的分辨能力。波束形成实际上相当于一个空间滤波器，它只接收沿空间某一方向传播的信号，而抑制空间其他方向的干扰和噪声，从而获得空间增益、提高信噪比。可见波束形成俨然已成为声纳阵列的核心技术，是现在声纳系统具有优良战技指标的基础。

在对阵列接收数据进行上述波束形成处理时，其前提是假设信号源满足远场条件，即认为阵列接收到的信号为平面波。这就导致了对单一直线阵进行波束形成时只能定向而不能测距，并且当信号源不能满足远场条件时，这些波束形成算法的性能会下降、甚至可能失效。同时为避免阵列定向模糊问题，一般要求相邻阵元间距不超过二分之一波长，这也限制了波束形成算法在存在部分阵元通道失效的均匀等间距直线阵中难以发挥其效能。

发明内容

本发明提出一种基于聚焦归位原理的水声阵列信号处理方法，解决了水声阵列信号处理中波束形成只能定向而不能测距的问题，利于大规模组阵来获得空间增益。

本发明方法步骤如下：

步骤一：设计阵列的阵元数和阵元间距，并根据阵列位置设置求解空间，同时对求解空间区域进行离散化；

步骤二：在求解空间区域选取离散网格点，并假定该离散网格点为声源所在位置；

步骤三：计算声源辐射信号传播到直线阵各阵元所需的时间t和声源辐射信号沿直线阵法线方向传播到阵列垂足位置所需的时间t₀；t和t₀满足关系式其中x为阵元到垂足的距离，在t-x时距坐标轴上呈现出双曲线的形状；

步骤四：将声源信号到阵列各阵元的传播时间t进行时差补偿至t₀，使各阵元接收到的声源信号相位一致，然后对各阵元接收信号进行能量叠加；

步骤五：将各阵元信号叠加后的能量与设定的门限值进行比较，若叠加能量值小于门限值，则判别在离散网格点处无声源，否则判别有声源存在，且位于离散网格点处；

步骤六：更新选取求解空间中的离散网格点，重复步骤二至步骤五，在声源存在的判别条件得到满足后，输出声源所位于的离散网格点，进而给出声源相对于阵列的方位和距离信息，如此迭代，直到求解空间中的所有离散网格点被处理一遍，迭代计算停止。

特别地，所述步骤四中，按如下克希霍夫积分公式进行能量叠加：