[发明专利]一种适用于圆形阵列的高增益波束形成方法

说明书

利用大规模水下阵列进行目标观测是水下警戒的有效手段。一般而言，我们希望通过增加阵列孔径提升阵列的观测能力,但是，阵列的孔径受到声场相干性的限制。在水平方向上，声场相关性主要分为水平纵向相关性和水平横向相关性。水平横向相关性的影响因素主要是介质的非均匀特性，水平纵向相关性的主要影响因素是简正波的干涉。其中，水平纵向相关性的下降会对阵列的有效孔径造成影响较大。本发明提出了一种适用于水下均匀圆形水平阵列的波束形成处理方法，该方法不需要测量额外的环境参数，对信号的频谱也不需要做过多假设，仅利用均匀圆阵的对称特性，将阵列分成沿水平纵向对称的两个子阵，通过分裂阵互相关波束形成算法，便可以有效消除声场纵向相关性下降带来的不利影响，提升阵增益，从而提高阵列的观测能力。

技术领域

本发明属于阵列信号处理领域，具体涉及一种适用于圆形阵列的高增益波束形成方法。

背景技术

利用大规模水下阵列进行目标观测是水下警戒的有效手段。一般而言，我们希望通过增加阵列孔径提升阵列的观测能力,但是，阵列的孔径受到声场相干性的限制。在水平方向上，声场相关性主要分为水平纵向相关性和水平横向相关性。水平横向相关性的影响因素主要是介质的非均匀特性，水平纵向相关性的主要影响因素是简正波的干涉。其中，水平纵向相关性的下降会对阵列的有效孔径造成影响较大。针对该问题，苏小星等人利用声场的波导不变量提出了频移补偿方法(苏晓星,张仁和,李风华.利用波导不变性提高声场的水平纵向相关[J].声学学报,2006(4):305-309)。论文作者根据声场的波导不变性，指出了声场频域响应与水平纵向距离之间的线性相位关系，然后在频谱缓变的假设下，提出了通过频移补偿提高水平纵向相关性的方法。该方法需要有相对精确的波导不变量的先验值或者测量值，以确定频移补偿量。但是实际应用中，水文环境参数随时间、季节的变化剧烈，精确测量和预测水文参数的难度较大；另外，水下目标辐射噪声一般具有线谱特征，很难满足频谱缓变的假设，这些问题限制了该算法的广泛应用。

发明内容

本发明提出了一种适用于水下均匀圆形水平阵列的波束形成处理方法，该方法不需要测量额外的环境参数，对信号的频谱也不需要做过多假设，仅利用均匀圆阵的对称特性，将阵列分成沿水平纵向对称的两个子阵，通过分裂阵互相关波束形成算法，便可以有效消除声场纵向相关性下降带来的不利影响，提升阵增益，从而提高阵列的观测能力。具体包括以下步骤：

步骤1：从圆形阵列中选取最优的阵段的中心阵元

将N元均匀圆形阵列的阵形用极坐标表示为：

其中，R为圆形阵列的极径，γ_n为第n号阵元的极角，n＝1...N其中，R为圆形阵列的极径，γ_n为第n号阵元的极角，n＝1...N，i表示虚数单位；

设点声源信号的频谱为S(ω)，通过N元均匀圆形阵列接收信号，则接收信号表示为：

其中H(ω,r_n)是由声源到第n号阵元的信道传输函数，r_n表示收发距离，对于点源声场，由简正波理论可得：

其中：

在式(3)、式(4)中，ω为声源角频率，z_s为声源深度，z_r为接收深度，r为传播距离，μ_l、β_l和ψ_l分别为第l号简正波的本征值、衰减系数和本征函数，μ_m是m号主要简正波的本征值；

进行最有波束形成阵列段选取的策略是使阵元在声传播的水平纵向上的分布距离差异最小，当扫描角度为θ时，按照上述原则，最优阵列的中心阵元可以通过下式确定：