[发明专利]一种基于时反聚焦的ULA目标定向增益方法及装置

说明书

本发明提出一种基于时反聚焦的ULA目标定向增益方法及装置，所述方法包括：浅海环境下采用ULA发射探测信号，获取目标反射的直达波、海面反射波及海底反射波到达ULA各阵元间的时延；获取ULA接收的快拍数据；对ULA的阵列加权矢量进行对角化处理，得到加权因子矩阵；计算虚拟TR处理后的阵列流形矩阵和阵列衰减TR矩阵，根据所述加权因子矩阵、阵列流形矩阵、阵列衰减TR矩阵构建基于ULA的TR波束模型。本发明能够利用多径效应增强阵列接收信号的能量，而且可以克服强噪声影响准确实现目标的有效定向。

技术领域

本发明涉及水声信号处理技术领域，具体涉及一种基于时反聚焦的ULA目标定向增益方法及装置。

背景技术

时反(Time Reversal，简称TR)已成为近年来水声信号检测及目标定位较热门的研究领域。自1965年Parvulescu、Clay对TR进行了初步理论研究和相关试验报导，虽试验未体现TR的空域聚焦特性但提出TR可补偿信号传播多径信道的再发射过程，为TR理论进一步完善提供了良好依据。Mathias Fink等人在超声波领域的成功验证了TR阵列在空间良好的聚焦性能，并给出了TR的统一定义；水声领域的TR研究始于1984年Burdo等人对浅海波导中的相位共轭理论研究，而较成功的实验主要开展于Dowling等人应用TR在主动聚焦及基本原理的研究；Kuperman领导的实验室小组成员隶属于美国加州大学圣地亚哥分校从1996年开始先后在地中海开展了6次TR试验，结论表明TR的环境自适应特性可用于定位和通信，同时也验证了TR良好的空时聚焦性能。

阵列信号处理在声呐、雷达、传感器阵列等方面具有广泛应用，经过几十年发展常规的阵元域波束优化设计与方位估计问题已经研究得比较透彻。波束形成技术将一定几何形状排列的基阵中各个阵元的输出经加权、延时、求和等处理形成空间指向性，是声呐良好战术和技术性能的基础。针对弱目标检测和方位估计，阵列信号处理现有的强噪声抑制方法可通过零点约束法、逆波束形成法、阻塞法、空域滤波法、子空间法等方法实现，先从阵元域、空域或子空间将噪声滤除，然后再实现对弱目标的检测和方位估计。

波导环境下由于多径声场使得目标信号传播到达各个阵元除了直达波以外，还有其他经海底或海面反射到达的声波，而通常阵列信号处理是忽略反射波而仅利用直达波来改善信噪比，而对于浅海波导环境多径效应的应用存在一定限制。

发明内容

为了克服现有技术的不足之处，本发明提出一种基于时反聚焦的ULA(UniformLinear Array，均匀线列阵)目标定向增益方法及装置，解决在波导浅海强噪声环境下无法进行有效的目标定向问题，实现了波导环境多径效应的弱目标方位估计，尤其最大信噪比准则下弱目标定向时时间反转波束主瓣增益大大超过传统波束。

本发明第一方面，提出一种基于时反聚焦的ULA目标定向增益方法，所述方法包括如下步骤：

S1、浅海环境下采用ULA发射探测信号，获取目标的直达波、海面反射波及海底反射波到达ULA各阵元间的时延；

S2、获取ULA接收的快拍数据；

S3、对ULA的阵列加权矢量进行对角化处理，得到加权因子矩阵；

S4、计算虚拟TR处理后的阵列流形矩阵和阵列衰减TR矩阵，根据所述加权因子矩阵、阵列流形矩阵、阵列衰减TR矩阵构建基于ULA的TR波束模型。

优选的，所述步骤S1中，设ULA由J个全向阵元组成且阵元间距为d，以离海面最近的阵元为第1阵元，依次对各阵元进行编号，以第1阵元为参考阵元，假设浅海环境下有1个远场目标，所述目标的直达波、海面反射波及海底反射波到达ULA各阵元间的时延分别为：