[发明专利]一种密布式MIMO声纳自适应波束形成探测方法

摘要

本发明涉及一种密布式MIMO声纳自适应波束形成探测方法，该方法首先根据发射分集平滑(TDS：transmission diversity smoothing)特性的解相干效果设计MIMO声纳阵型，其次通过对回波信号进行联合匹配滤波处理，在保留发射阵TDS特性的基础上改善信噪比，继而对联合匹配滤波输出进行自适应波束形成处理，并进一步对自适应波束输出采用频分匹配滤波和发射阵波束形成处理，获得距离维上的带宽合成效果。该方法可以同时改善主动声纳的角度维和距离维探测性能，获得优于传统SIMO声纳的探测效果。

主权项

1.一种密布式MIMO声纳自适应波束形成探测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：定义M元发射阵和N元接收阵均为密布式排列，且共同构成单基地声纳模式，其中发射阵元个数M≥3，接收阵元个数N≥8；MIMO声纳工作中心频率为f₀，水下声速为c，则对应的波长λ＝c/f₀，发射阵和接收阵的几何中心相互重合，二者相对于远场目标的角度相同；在只考虑目标和声纳处于同一水平面上时，设MIMO声纳的观测空间为θ＝{θ_q|q＝1,2,…,Q}，其中θ_q表示第q(q＝1,2,…,Q)个观测角度，假设远场环境中存在P(P<M)个特性相同的目标，令MIMO声纳相对于第p(p＝1,2,…,P)个目标的角度为θ_p；其中，若MIMO声纳阵型为圆环阵，则发射圆环阵半径R和接收圆环阵半径r的取值需要满足R≥0.5×r；若MIMO声纳阵型为直线阵，则发射直线阵相邻两阵元间距d_t的取值需要满足d_t≥λ/2；步骤二：MIMO声纳的信号发射与回波采集，包括以下子步骤：子步骤一：M元发射阵同时发射M个相互正交的脉冲信号，设第m(m＝1,2,…,M)个脉冲信号为s_m(t)，其表达式为：其中，，f_m表示不同发射信号的中心频率，t表示时间，A表示信号幅度，k表示调频斜率，T表示发射信号脉宽；子步骤二：为简化分析，忽略回波信号的多普勒频移以及扩散损失和介质吸收损失，仅考虑目标散射强度对回波信号强度的影响时，N元接收阵上的回波信号x(t)可以表示为：其中，s(t)＝[s₁(t) s₂(t) … s_M(t)]^T，x_n(t)表示第n(n＝1,2,…,N)个接收阵元上的回波信号，[]^T表示转置，β_p表示第p个目标的散射强度，a_t(θ_p)表示发射阵到达第p个目标的方向向量，a_r(θ_p)表示第p个目标到达接收阵的方向向量，n(t)表示接收阵元上的噪声向量；步骤三：使用联合匹配滤波和自适应波束形成处理，获得目标的自适应波束输出，包括以下子步骤：子步骤一：利用M个脉冲信号的拷贝之和分别对N个接收阵元上的回波信号进行联合匹配滤波处理；联合匹配滤波器的冲击响应函数h(t)可以表示为：其中，[]^C表示复共轭，T表示发射信号脉宽；s_m(T‑t)表示第m(m＝1,2,…,M)个脉冲信号的拷贝；子步骤二：第n(n＝1,2,…,N)个接收阵元上的联合匹配滤波输出可以表示为：y_n(t)＝x_n(t)*h(t)其中，*表示卷积，t表示时间，h(t)表示联合匹配滤波器的冲击响应函数；通过y_n(t)构造N个接收阵元上的联合匹配滤波输出向量y(t)，可以表示为：y(t)＝[y₁(t) y₂(t) … y_N(t)]^T这里的N是指N个接收阵元上的N个输出；子步骤三：通过接收阵元上的联合匹配滤波输出向量y(t)，构建信号的协方差矩阵R：R＝E[y(t)y^H(t)]其中，E[]表示求数学期望，[]^H表示共轭转置；此时自适应波束形成器的加权向量w(θ)可以表示为：其中，a(θ)表示接收阵的阵列流形向量，θ＝{θ_q|q＝1,2,…,Q}表示观测空间；子步骤四：根据上一步骤得到的自适应波束形成器的加权向量w(θ)，对接收阵元上的联合匹配滤波输出进行加权求和处理，获得的自适应波束输出向量B(θ；t)可以表示为：B(θ；t)＝w(θ)^Hy(t)其中，[]^H表示共轭转置；步骤四：使用频分匹配滤波和发射阵波束形成处理，获得目标的角度‑距离二维探测结果，包括以下子步骤：子步骤一：使用M个脉冲信号拷贝的自相关函数对所有Q个角度上的自适应波束输出进行频分匹配滤波处理；第m(m＝1,2,…,M)个频分匹配滤波器的冲击响应函数h′_m(t)可以表示为：h′_m(t)＝s_m(t)*[s_m(T‑t)]^C则第q个角度θ_q上的第m个频分匹配滤波输出y′_m(t；θ_q)可以表示为：y′_m(t；θ_q)＝B(t；θ_q)*h′_m(t)其中B(t；θ_q)表示角度θ_q(q＝1,2,…,Q)上的自适应波束输出，[]^C表示复共轭；子步骤二：利用子步骤一得到的y′_m(t；θ_q)，构造M个频段上的频分匹配滤波输出向量y'(t；θ_q)，可以表示为：y'(t；θ_q)＝[y′₁(t；θ_q) y′₂(t；θ_q) … y′_M(t；θ_q)]^T子步骤三：通过对各个频段上的频分匹配滤波输出进行发射阵波束形成处理以获得目标距离维上的聚焦效果，该过程可以表示为：B'(t；θ_q)＝a_t(θ_q)^Hy'(t；θ_q)其中a_t(θ_q)表示发射阵在角度θ_q上的方向向量；子步骤四：利用子步骤三得到的B'(t；θ_q)构造Q个角度上的发射阵波束形成输出向量B'(t；θ)，可以表示为：B'(t；θ)＝[B'(t；θ₁) B'(t；θ₂) … B'(t；θ_Q)]将最终获得的发射阵波束形成输出转化为角度‑距离二维图，得到目标的探测结果。