[发明专利]一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法

权利要求书

1.一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构造阵列空间坐标矩阵，根据阵列类型获得所有阵元的坐标位置p_i(x,y,z)，然后构造基阵全部阵元坐标矩阵：

P＝[p₁,p₂,...,p_N]

S2、阵列姿态变换，包括以下步骤：

S21、读取艏向角a、纵摇角b、横摇角c三个姿态参数，计算姿态转换矩阵T：

S22、将阵列各阵元坐标矩阵P与姿态转换矩阵T相乘，得到新的坐标矩阵即姿态变换后各阵元的坐标位置；

S3、建立阵列信号模型，包括以下步骤：

首先假设信号从球面角入射到基阵，定义信号传播方向的单位向量为：

根据各阵元坐标向量，计算信号到达各阵元相对于参考点的时间延迟：

τ_i＝u^Tp_i/c，i＝1,…,N

然后读取频率f0、带宽B、采样率FS信号参数，构造参考点接收到的信号s(t)；于是，第i个阵元接收到的信号为

s_i(t)＝s(t-τ_i),i＝1,…,N

这是时域信号形式，将其进行傅里叶变换，有

令

则

称为阵列的方向矢量，当波长和阵列的几何结构确定时，其只与空间角有关；改变空间角使方向矢量在三维空间内扫描，所形成的集合称作阵列流形，阵列流形用符号A表示，即

假设同时有K个具有相同中心频率ω₀的信号分别以空间角Θ₁,Θ₂,…,Θ_K入射到该阵列，这里这时，阵列信号模型可以用矩阵简练地表示为：

X(t)＝A(Θ)S(t)+N(t)；

S4、波束形成，对于接收信号x(n)，波束形成的过程可以用下式来表述：

其中，w＝[w₁,w₂,…,w_N]^T是波束形成权向量，y(n)是波束形成输出；

用表示波束输出功率，则

其中，R_X＝E[x(t)x^H(t)]为阵列输出的协方差矩阵；

S5、波束性能估计，包括以下步骤：

波束形成器通过波束图的主瓣方向、主瓣高度、主瓣宽度、旁瓣高度、栅瓣高度指标的大小来描述其性能。

2.根据权利要求1所述的任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法，其特征在于，步骤S1构造阵列空间坐标矩阵，包括以下步骤：

S11、读取阵列类型；

S12、判断阵列类型，其中预设的阵列类型包含均匀直线阵、均匀圆环阵、平面阵、圆柱阵、以及不规则阵形；若阵列类型不是常规阵形，则进入步骤S13，若阵列类型是常规阵形，则进入步骤S14；

S13、读取不规则阵形的阵列坐标数据，然后进入步骤S15；

S14、根据阵列类型输入阵列结构参数，输入对应阵元个数和阵元间距参数后，选取一个阵元作为参考原点，计算基阵所有阵元的坐标位置p_i(x,y,z)；

S15、构造基阵全部阵元坐标矩阵：

P＝[p₁,p₂,...,p_N]。

3.根据权利要求1所述的任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法，其特征在于，步骤S22得到新的坐标矩阵即姿态变换后各阵元的坐标位置后，绘制三维布阵示意图用于直观查看声基阵在空间中的姿态。

4.根据权利要求1所述的任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法，其特征在于，步骤S5中主瓣方向是极大值所在的方向；若主瓣方向为根据预设的波束方位角θ₀和俯仰角计算主瓣方向与预设波束指向的偏差

从该偏差的大小用于衡量波束指向的精度；

步骤S5中主瓣高度就是的最大值；对于相同的阵列接收信号，未归一化之前的主瓣高度也是衡量波束性能的重要指标之一；步骤S5中从极大值开始，下降到最大值的的地方，则2θ为水平方向上的主瓣宽度，为垂直方向上的主瓣宽度；波束的主瓣宽度反应了系统对目标的方位分辨力。