[发明专利]一种矢量舷侧阵稳健波束形成方法

权利要求书

1.一种矢量舷侧阵稳健波束形成方法，其特征在于：步骤如下：

步骤1：建立矢量舷侧阵远近场混合信号模型，获取接收信号X_v(t)并计算协方差矩阵R_v；

所述舷侧阵远近场混合信号模型为：阵元间距为d的等间隔M元舷侧阵，以首阵元为原点建立笛卡尔坐标系，令舷侧阵沿x轴正方向布放，潜艇壳体处于y轴负半轴区域，与舷侧阵平行且距离为h，简化平台机械噪声和螺旋桨噪声为壳体上的K₁个近场干扰源，来自远场的K₂个目标位于y轴正半轴区域，考虑海洋环境噪声和流噪声，则阵列接收信号模型X_v(t)为：

X_v(t)＝A_vFS_F(t)+A_vNS_N(t)+N_v(t)+F(t)

式中：S_F(t)和S_N(t)分别为远场目标和近场干扰源信号，N_v(t)为海洋环境噪声，F(t)为流噪声，A_vF为远场目标信号矢量阵列流形，有且u(θ_k)＝[1,cosθ_k,sinθ_k]^T，A_vN为近场干扰矢量阵列流形式中a(θ_k,r_0,k)＝[1,e^-jωr'(1)/c,…,e^-jωr'(M)/c]^T，声程差r_m,k为第k个近场源到第m个阵元的距离；

令A_v＝[A_vF,A_vN]，S_v(t)＝[S_F(t),S_N(t)]^T，接收数据为：

X_v(t)＝A_vS_v(t)+N_v(t)+F(t)；

流噪声相关性弱，主要能量集中在协方差矩阵对角线上，接收数据协方差矩阵R_v为：

式中，分别为声压和振速传感器输出的环境噪声功率；分别为声压和振速传感器输出的流噪声功率，I为单位矩阵，R_vun为海洋环境噪声和流噪声组成的非相关噪声协方差矩阵，是对角阵

步骤2：根据最优设计准则设计滤波矩阵H，计算经空域矩阵滤波处理后信号数据Y＝HX_v及其协方差R_sf；

步骤2-1，选择阻带总体响应约束空域矩阵滤波器作为最优设计准则，假设通带区域和阻带区域内的方向向量构成的阵列流形矩阵分别为和P和S分别为通带区域和阻带区域离散化后的方向向量的数目，则：

式中，Φ为全空间入射方位角集合，ε是归一化阻带响应的约束值，则滤波矩阵满足：

求解最优化问题得到滤波矩阵H；

步骤2-2，利用滤波矩阵H对对舷侧阵接收数据进行预处理，可得Y＝HX_v，其协方差矩阵

步骤3：计算减载系数矩阵D，采用对角减载运算处理协方差矩阵R_sf，获得新的协方差矩阵R_D；

所述对角减载包括均匀对角减载和非均匀对角减载，减载后协方差R_D＝R_sf-D，D＝diag(λ₁,λ₂,…,λ_M),λ_m＞0为减载系数矩阵，可分别采用以下步骤求得：

步骤3-1，均匀对角减载方法，令减载后的噪声子空间协方差功率最小减载矩阵其中，d(*)表示由矩阵主对角上元素组成的对角矩阵，而Λ_L和T_L分别表示R_sf-D的K₂个最大特征值及对应的特征向量，通过迭代得到D的值；

步骤3-2，非均匀对角减载方法，令各阵元减载量之和最大，同时约束减载后的协方差矩阵的最小特征值为正值，即：

式中，r_nn表示协方差矩阵R_sf第n个对角线元素，ε决定减载后协方差矩阵最小特征值δ的大小，D可通过凸优化工具箱求解；

步骤4：以R_D为协方差矩阵使用稳健波束形成算法对远场目标进行方位估计，所述稳健波束形成算法包括MVDR波束形成、CBF波束形成。