[发明专利]基于水听器幅度与相位自校准的稳健自适应波束形成方法

摘要

本发明涉及一种基于水听器幅度与相位自校准的稳健自适应波束形成方法，计算水听器阵列的数据协方差矩阵，对水听器幅度相位误差自校准，重构协方差矩阵，形成自适应波束。在本发明在利用阵列自校准技术，实现阵元幅度相位误差校准的同时得到目标方位估计，进而重构出噪声干扰协方差矩阵，完成稳健自适应波束形成。解决了现有稳健波束形成方法仅对于轻微阵列流形失配效果明显，且性能会受人工参数选择的影响。对于固定安装的水听器阵列，其幅度和相位误差是导致阵列流形失配的问题，使得在严重幅度相位失配情况下的能够实现稳健自适应波束形成方法。

主权项

1.一种基于水听器幅度与相位自校准的稳健自适应波束形成方法，其特征在于：阵元数为M的直线水听器阵列，从阵列一端到另一端编号为1～M，阵元间距为d，总长度为d(M‑1)；设阵列输出向量x(n)为x(n)＝diag{γ}A(θ)s(n)+e(n),1≤n≤N，式中：N是数据点数，s(n)＝[s₁(n),…,s_K(n)]^T为入射信号波形，e(n)是阵元接收噪声，γ表示水听器幅度相位参数向量，该向量的第m个元素表示为m为阵元序号，g_m,分别为m号水听器的幅度和相位，diag{}表示向量对角化运算算子，A＝[a(θ₁),…,a(θ_K)]是理想阵列流形矩阵；所述方位角θ_k处的理想阵列流形向量a(θ_k)＝[1,exp(‑j2πfτ_k),…,exp{‑j2πf(M‑1)τ_k}]^T，其中：f为信号频率，τ_k＝dcosθ_k/c，d为阵元间距，c为声速，M为水听器个数；自适应波束形成步骤如下：步骤1：计算水听器阵列输出向量的数据协方差矩阵为R＝E{x(n)x^H(n)}，其中E{}表示求数学期望，上标H为共轭转置运算；以采样协方差矩阵近似表示数据协方差矩阵R，即计算采样协方差矩阵使用的快拍长度T＝Nf_s，其中f_s为系统采样率；步骤2、水听器幅度相位误差自校准：阵列中相邻水听器，序号分别为p和(p+1)已经精确校准，幅度相位精确已知，即和其中：1≤p≤(M‑1)；g_p,g_p+1分别为p和(p+1)号水听器精确幅度响应值，分别为p和(p+1)号水听器精确相位响应值；计算水听器阵列中所有水听器幅度相位参数和得到水听器幅度相位校准参数式中：和分别为采样协方差矩阵的第(m,m+1)元素和第(p,p+1)元素；步骤3、协方差矩阵重构：直线型水听器阵列的空间观测范围为0°～180°，记为Θ，将观测空间离散化为个网格点，则网格点的阵列流形矩阵表示为：其中：表示个网格点的理想阵列流形向量第k个网格点的输出功率以及噪声功率通过循环的方式估计得到：式中：Tr{}表示矩阵求迹运算，上标(i)表示迭代次数，R⁽ⁱ⁾表示第i次迭代的重构协方差矩阵，R^‑1(i)表示第i次迭代的重构协方差矩阵的逆，表示第i+1次噪声功率；步骤4、自适应波束形成：信号到达方位通过方位功率谱的峰值搜索进行估计，记作利用Capon波束形成的权值计算公式，给出基于水听器幅度相位自校准的稳健自适应波束形成方法：