[发明专利]一种远场分布式并行子阵波束形成方法

摘要

本发明公开了一种远场分布式并行子阵波束形成方法，包括以下步骤：（1）将换能器全阵列划分成若干个一级子阵，每个一级子阵作为一个基本单元，所有一级子阵组成二级子阵；（2）所有一级子阵并行进行波束形成；（3）每个一级子阵的波束形成结果作为二级子阵的一个基元，经过波束抽取后，进行二级子阵波束形成。本发明提供的远场分布式并行子阵波束形成方法，能够在减少时延参数存储空间和计算负载的前提下，获得与直接波束形成算法主瓣宽度和旁瓣峰值相近的波束方向图，大幅度提高计算效率，满足水下三维声纳成像的实时性需求。

主权项

一种远场分布式并行子阵波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将换能器全阵列划分成若干个一级子阵，每个一级子阵作为一个基本单元，所有一级子阵组成二级子阵；(2)所有一级子阵并行进行波束形成；(3)每个一级子阵的波束形成结果作为二级子阵的一个基元，经过波束抽取后，进行二级子阵波束形成，二级子阵波束形成的具体步骤如下：3‑1、从每个一级子阵的波束形成结果中抽取与二级子阵预成波束方向距离最近的一个波束信号；抽取分为水平抽取和垂直抽取，抽取方式分述如下：3‑1‑1、在水平抽取过程中，从每个一级子阵水平方向的Q_a个波束面中选取与二级子阵欲成波束方向距离最近的一个平面，即目标平面；3‑1‑2、在垂直抽取过程中，从水平抽取所得的目标平面中，选取与二级子阵欲成波束方向距离最近的一个波束；3‑2、根据步骤3‑1的波束抽取结果，分别进行二级子阵的每行一级子阵的水平波束形成，水平波束形成的数学表达式如下：$bf3({\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{ap}}_b},n_b)=\left|\underset{m_b=1}{\overset{N_b}{\Σ}}Beam(m_b,n_b)\exp (-{\mathrm{j\ψ}}_x(m_b,{\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{ap}}_b}\left)\right)\right|;$式中：为二级子阵水平波束形成；为二级子阵水平相位移，表达式如下：${\mathrm{\ψ}}_x(m_b,{\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{ap}}_b})=2{\mathrm{\πf}}_0\×\frac{m_b{N}_{a}d{\mathrm{sin\θ}}_{{\mathrm{ap}}_b}}{c};$f₀为回波信号的中心频率；N_b为二级子阵中换能器的行数；N_a为一级子阵中换能器的行数；c为声波在水下的传播速度；为二级子阵的任意一个波束方向的方位角；d为一级子阵换能器的间距；m_b为二级子阵中各换能器的横坐标；n_b为二级子阵中各换能器的纵坐标；3‑3、根据步骤3‑2的水平波束形成结果，分别针对二级子阵的每列一级子阵进行垂直波束形成，垂直波束形成的数学表达式如下：$bf4({\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{ap}}_b},{\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{eq}}_b})=\left|\underset{n_b=1}{\overset{N_b}{\Σ}}bf3({\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{ap}}_b},n_b)\exp (-{\mathrm{j\ψ}}_y(n_b,{\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{eq}}_b}\left)\right)\right|$式中：为二级子阵垂直波束形成；为二级子阵垂直相位移，表达式如下：${\mathrm{\ψ}}_y(n_b,{\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{eq}}_b})=2{\mathrm{\πf}}_0\×\frac{n_b{N}_{a}d{\mathrm{sin\θ}}_{{\mathrm{eq}}_b}}{c}$N_b为二级子阵中换能器的行数；n_b为二级子阵中各换能器的纵坐标；为二级子阵的任意一个波束方向的仰视角。