[发明专利]一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法

说明书

本发明公开了一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法，包括以下步骤：S1、构造阵列空间坐标矩阵，S2、阵列姿态变换，S3、建立阵列信号模型，S4、波束形成，S5、波束性能估计。本发明在设计声基阵阵形时可以直接选择预设的常用阵列形式，也可以通过加载阵元坐标数据快速得到其他不规则的阵形，并可以通过设置姿态参数改变声基阵的空间位置。本发明还可以在阵形设计完成的基础上，设置好信号参数和波束参数后，选择不同的波束形成器，绘制水平方向、垂直方向以及三维立体波束图，通过主瓣方向、主瓣高度、主瓣宽度、旁瓣高度、栅瓣高度等对波束形成器进行性能估计，对比不同参数和不同算法下的波束性能可以方便设计者进行声纳参数和波束形成算法优选。

技术领域

本发明属于声纳阵列信号处理技术领域，具体涉及一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法。

背景技术

声纳是利用声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备。声纳有很多种类，并且分类方法也很多。笼统地可分为军用和民用两类；按工作原理或工作方式划分，可分为主动式声纳和被动式声纳；按装置体系分类，可分为舰用声纳、潜艇用声纳、岸用声纳、航空吊放声纳和声纳浮标、海底声纳等；按工作性质分类，可分为通信声纳、探测声纳、水下制导声纳，水声对抗系统等。但是所有声纳都有共性，都有基本不变的结构。它们的系统组成都是由干端和湿端组成。所不同的只是配置不同，复杂程度不同，因而所能完成的功能也不同。

声基阵阵形设计是声纳系统设计的基础。基阵是指将若干个换能器按照一定规律构成的具有一定形状的阵列。基阵的结构形状一般由其安装空间决定，阵元数目则受信号场空间相关半径与设备成本决定。常用的阵列形式有均匀线阵、均匀圆阵、面阵、圆柱阵、共形阵等。波束形成技术是指将各阵元的信号进行加权求和，在一时间内将阵列波束导向到一个方向上。基阵和波束形成处理相结合，构成空间滤波器，用于提高声纳设备的空间增益、测向精度、分辨力等性能。

在设计一部声纳之初，都需要对声基阵阵形和波束图进行分析，以考察该声纳性能的优劣。若每次针对不同的阵形和不同的波束形成处理方法都进行一次分析的话，工作效率是很低的。

因此，若开发一种能对任意阵形的声纳波束形成器性能进行估计的方法，可以显著提高设计效率，并增加分析结果的可靠性。

发明内容

为解决现有技术存在的缺陷，本发明提供一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明提供一种任意阵形的声纳波束形成器性能估计方法，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