一種魚雷自導(dǎo)波束銳化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可有效提高魚雷對空間不同方位多個目標(biāo)分辨能力的魚雷自導(dǎo)波束銳化方法。其特點是針對魚雷自導(dǎo)聲基陣，通過對基陣各陣元接收信號選取不同加權(quán)系數(shù)進行加權(quán)求和，在空間相同方向同時形成主瓣窄而旁瓣高和主瓣寬而旁瓣低的兩個波束，分別實現(xiàn)減小波束主瓣和抑制波束旁瓣。利用這兩個具有不同主、旁瓣特性的波束信號及包絡(luò)進行對應(yīng)乘積加權(quán)的復(fù)合處理，在進一步銳化波束主瓣的同時降低旁瓣，以獲取低旁瓣的銳化波束信號，提高波束方位分辨能力。該方法計算量小，穩(wěn)健性好，適應(yīng)能力強，特別是可適用于空間信號源數(shù)目未知或者各信源之間具有較強相關(guān)性的應(yīng)用環(huán)境，具有較好的工程實用性，可有效提高魚雷多目標(biāo)空間方位分辨能力。
【專利說明】-種魚雷自導(dǎo)波束銳化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種有效提高魚雷目標(biāo)方位分辨能力的魚雷自導(dǎo)波束銳化方法，屬魚 雷聲自導(dǎo)【技術(shù)領(lǐng)域】，適用于魚雷自導(dǎo)目標(biāo)精確定向、多目標(biāo)分辨W及目標(biāo)精細特征識別等。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代海戰(zhàn)水下聲對抗技術(shù)的快速發(fā)展，魚雷的作戰(zhàn)環(huán)境日益復(fù)雜，一方面，魚 雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)的工作扇面內(nèi)可能同時出現(xiàn)多個目標(biāo)或誘巧，使魚雷自導(dǎo)面臨多目標(biāo)環(huán)境。 另一方面，魚雷通常不僅需要識別目標(biāo)真假，而且需要提取大尺度目標(biāo)不同部位聲反射的 多亮點特征，有效分辨目標(biāo)不同部位的亮點，分析各亮點空間分布結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)精確目標(biāo)識 另IJ。因此，魚雷需要能夠有效分辨同一海區(qū)分布于不同空間方位的多個目標(biāo)或者同一目標(biāo) 體上分布于不同空間方位的多個聲反射亮點，該種情況下，就要求魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)必須具有 很高的多目標(biāo)空間方位分辨能力。
[0003] 魚雷自導(dǎo)和聲納系統(tǒng)通常利用聲基陣接收聲信號并形成波束從而有效獲取目標(biāo) 空間方位信息，波束寬度是影響目標(biāo)方位估計精度的重要因素。一般地，對于位于不同方向 波束的目標(biāo)，可W根據(jù)波束方向確定目標(biāo)方位，但對于位于同一波束內(nèi)的不同目標(biāo)，很難進 行有效區(qū)分和精確定向。因此，魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)對空間多個目標(biāo)或目標(biāo)亮點的有效分辨與方 位估計性能很大程度上直接取決于聲基陣波束的尖銳程度。然而，魚雷物理尺寸有限，波束 特性極大受制于聲基陣物理孔徑和工作頻率的影響。在工作頻率一定的條件下，陣列波束 寬度受到陣列的物理孔徑限，常稱"瑞利（Raylei曲）限"的限制，空間方位分辨能力有限。
[0004] 文獻"王永良，陳輝，彭應(yīng)寧，萬群.空間譜估計理論與算法.清華大學(xué)出版 社，2004, 82?211"介紹了陣列信號處理的高分辨空間譜估計方法，包括子空間分解類算 法和子空間擬合類算法等。其中，子空間分解類算法可分為W MUSIC為代表的噪聲子空間 類算法和W旋轉(zhuǎn)不變子空間巧SPRIT)為代表的信號子空間類算法，其通過對陣列接收數(shù) 據(jù)的數(shù)學(xué)分解（如特征分解、奇異值分解、QR分解等），將接收數(shù)據(jù)劃分為兩個相互正交的 子空間，即與信號源的陣列流型空間一致的信號子空間和與其正交的噪聲子空間，然后利 用該兩個子空間的正交特性構(gòu)造出尖銳的空間譜峰，實現(xiàn)方位估計，提高估計精度。子空間 擬合類算法包括信號子空間擬合和噪聲子空間擬合，其相當(dāng)于接收數(shù)據(jù)的子空間與實際信 號導(dǎo)向矢量組成子空間之間的擬合，都可W歸結(jié)為多維參數(shù)的優(yōu)化問題。與子空間分解類 算法相比，子空間擬合類算法估計性能更好，而且對相干源也能有效估計，但運算量更大。 總之，該些高分辨空間譜估計方法主要利用聲基陣各陣元接收信號數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的信號 和噪聲子空間特性，通過復(fù)雜的矩陣運算求解空間聲源的入射方向，其特點是在一定的基 陣物理孔徑條件下，可W獲得突破"瑞利限"的空間方位分辨力，因此，該些方法是有效提高 聲基陣對空間不同方位目標(biāo)分辨能力的重要途徑之一。但是，該些方法要求的信號干擾比 高，運算復(fù)雜，對信號源數(shù)目、相關(guān)性等比較敏感，信號源數(shù)目未知或信源相關(guān)性強都可能 極大影響該些方法進行不同目標(biāo)分辨的有效性，因此，在實際工程應(yīng)用中的穩(wěn)健性不理想。 同時，該些方法計算量很大，難W滿足魚雷對目標(biāo)信號的實時處理要求，在魚雷自導(dǎo)實際工 程應(yīng)用中受到極大限制。
[0005] 文獻"申請?zhí)枮?6021096 的美國發(fā)明專利 Schlieter H, Eigenbrod 比 Method for the formation of radiated beams in direction finder systems. 2000, 2" 公開了一種 超波束（Hyper beam)銳化方法。該方法將聲基陣分為左、右半陣，并利用左、右半基陣分別 形成空間相同主軸方向的左、右分裂波束，通過左、右分裂波束信號和與差的非線性運算， 形成空間與分裂波束相同主軸方向的新型超波束，并可通過調(diào)節(jié)超波束計算中的非線性因 子實現(xiàn)對超波束形狀主要指標(biāo)的調(diào)節(jié)和控制。因此，該方法特點是通過聲基陣左、右半陣分 裂波束信號的非線性運算處理實現(xiàn)波束銳化，與傳統(tǒng)的常規(guī)波束形成方法相比，其可W有 效銳化波束主瓣，同時可大大降低波束旁瓣，提高目標(biāo)方位分辨能力。但是，該方法僅適用 于單目標(biāo)環(huán)境，對于多目標(biāo)環(huán)境，其波束銳化與目標(biāo)方位分辨能力不具明顯優(yōu)勢。也就是 說，對于只存在一個目標(biāo)的情況，該方法可W在目標(biāo)所在方向形成尖銳的波束，精確指示目 標(biāo)的空間方位；但對于同時存在兩個或多個目標(biāo)的情況，該方法難W分辨各個目標(biāo)的空間 方位。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)在基陣物理孔徑有限、工作頻率不高的條件下，減小波束寬 度，提高魚雷對自導(dǎo)扇面內(nèi)同時存在于空間不同方位的多個目標(biāo)的分辨能力，W及對大尺 度多亮點目標(biāo)分布于空間不同方位的各個聲反射亮點的分辨能力，W便進行魚雷高分辨智 能化目標(biāo)精細特征提取和圖像識別，本發(fā)明提供一種魚雷自導(dǎo)波束銳化方法。該方法針對 魚雷自導(dǎo)聲基陣，分別計算選取兩組不同的陣元加權(quán)系數(shù)，通過對基陣各陣元接收信號的 數(shù)字處理，分別實現(xiàn)減小波束主瓣和抑制波束旁瓣的功能。在空間同一方向同時形成主瓣 窄、旁瓣高和主瓣寬、旁瓣低的兩個波束，并利用該兩個具有不同主、旁瓣特性的波束輸出 信號，分別進行波束包絡(luò)與波束信號對應(yīng)乘積加權(quán)的復(fù)合處理，實現(xiàn)波束銳化和抑制旁瓣 的目的，最終得到主瓣寬度小、旁瓣低的銳化波束，提高波束方位分辨能力。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是；由于魚雷自導(dǎo)常用的均勻平面聲基 陣在水平或垂直平面內(nèi)形成波束時可W等效為均勻線列陣模型，而對于均勻線列陣的波束 形成，利用不同陣元信號進行幅度加權(quán)是一種有效的波束主、旁瓣特性控制方法，即對不同 陣元的接收信號，選取適當(dāng)?shù)募訖?quán)系數(shù)，可W得到接收波束不同的主瓣寬度和主旁瓣比等 特征參數(shù)。一般地，波束主瓣寬度減小時，則旁瓣升高，波束主旁瓣比減小；反之，波束旁瓣 降低、主旁瓣比增大時，則主瓣寬度也增大。因此，波束主瓣寬度和主旁瓣比是一對此消彼 長的參數(shù)，在實際應(yīng)用中，通常需要在二者之間進行折衷考慮，選取適當(dāng)?shù)募訖?quán)系數(shù)。因此， 基于該種陣元信號不同幅度加權(quán)系數(shù)可W調(diào)控陣列輸出波束主旁瓣特性的原理，本方案提 出一種魚雷自導(dǎo)聲基陣接收信號波束銳化處理方法，該方法利用兩組不同的聲基陣陣元信 號加權(quán)系數(shù)，同時得到空間相同方向但具有不同主、旁瓣特性的兩個波束，通過兩個波束信 號的數(shù)字復(fù)合處理，實現(xiàn)波束銳化。其特點是通過對魚雷自導(dǎo)聲基陣各陣元接收信號選取 不同加權(quán)系數(shù)進行加權(quán)求和，在空間相同方向同時形成主瓣窄、旁瓣高和主瓣寬、旁瓣低的 兩個波束，在此基礎(chǔ)上，利用低旁瓣波束信號的包絡(luò)對窄主瓣波束信號的幅度進行對應(yīng)乘 積加權(quán)的復(fù)合處理，獲取低旁瓣的銳化波束信號。
[000引一種基于上述魚雷自導(dǎo)波束銳化的信號處理方法，其特點是包括下述步驟：
[0009] 步驟一；針對魚雷自導(dǎo)一般采用的各陣元均勻排列的平面聲基陣，如果需要對水 平方向目標(biāo)進行精確定向或分辨，則可將平面陣垂直方向具有相同水平相位的每列陣元的 接收信號求和，并求其平均，使平面陣等效為水平均勻線列陣，平面陣中具有相同水平相位 的陣元列數(shù)即為等效陣元數(shù)；如果需要對垂直方向目標(biāo)進行精確定向或分辨，則可將水平 方向具有相同垂直相位的每行陣元的接收信號求和，并求其平均，使平面陣等效為垂直均 勻線列陣，平面陣中具有相同垂直相位的陣元的行數(shù)即為等效陣元數(shù)；
[0010] 步驟二；對于等效的水平或垂直均勻線列陣，假設(shè)等效陣元數(shù)為N，W減小波束主 瓣寬度為目標(biāo)，設(shè)定波束主旁瓣比為B，并取B為0地?3地，按照參考文獻"田坦，劉國枝， 孫大軍.聲響技術(shù).哈爾濱工程大學(xué)出版社，2000, 3. 67?73"介紹的方法計算一組加權(quán) 系數(shù)Ai，i = 1，2,…，N，并構(gòu)建波束形成的幅度和相位綜合加權(quán)系數(shù)Wi，i = 1，2,…，N，對 等效線列陣各陣元信號進行加權(quán)求和，得到波束1輸出信號。該步驟具體包括如下子步驟：
[0011] 子步驟1 ;按照參考文獻方法，根據(jù)陣元數(shù)N和要求的波束主旁瓣比B，計算各陣元 的幅度加權(quán)系數(shù)Ai，i = 1，2,. . .，N，令
[00。]

【權(quán)利要求】
1. 一種魚雷自導(dǎo)波束銳化方法，其特征在于，利用兩組不同的聲基陣陣元信號加權(quán)系 數(shù)，同時得到空間相同方向但具有不同主、旁瓣特性的兩個波束，通過兩個波束信號的數(shù)字 復(fù)合處理，實現(xiàn)波束銳化。
2. -種如權(quán)利要求1所述的魚雷自導(dǎo)波束銳化方法，其特點在于，具體包括下述步驟： 步驟一：針對魚雷自導(dǎo)一般采用的各陣元均勻排列的平面聲基陣，如果需要對水平方 向目標(biāo)進行精確定向或分辨，則將平面陣垂直方向具有相同水平相位的每列陣元的接收信 號求和，并求其平均，使平面陣等效為水平均勻線列陣，平面陣中具有相同水平相位的陣元 列數(shù)即為等效陣元數(shù)；如果需要對垂直方向目標(biāo)進行精確定向或分辨，則可將水平方向具 有相同垂直相位的每行陣元的接收信號求和，并求其平均，使平面陣等效為垂直均勻線列 陣，平面陣中具有相同垂直相位的陣元的行數(shù)即為等效陣元數(shù)； 步驟二：對于等效的水平或垂直均勻線列陣，假設(shè)等效陣元數(shù)為N，以減小波束主瓣 寬度為目標(biāo)，設(shè)定波束主旁瓣比為B，并取B為OdB?3dB，計算一組加權(quán)系數(shù)Ai,i= 1，2,…，N，并構(gòu)建波束形成的幅度和相位綜合加權(quán)系數(shù)Wi,i= 1，2,…，N，對等效線列陣各 陣元信號進行加權(quán)求和，得到波束1輸出信號； 步驟三：同樣，對于上述等效陣元數(shù)為N的水平或垂直均勻線列陣及其各陣元接收信 號Xi,i= 1，2,…，N，以減小波束旁瓣為目標(biāo)，設(shè)定波束主旁瓣比B為30dB?50dB，計算 另一組幅度加權(quán)系數(shù)A'i，i= 1，2,…，N;再根據(jù)需要形成的水平或垂直波束的主軸方向 9，構(gòu)建其相應(yīng)的幅度和相位綜合加權(quán)系數(shù)W'i，i= 1，2,…，N;利用該加權(quán)系數(shù)，通過對 聲基陣各陣元接收信號的加權(quán)求和，在與波束1相同方向上形成旁瓣低但主瓣相對較寬的 波束2,即
步驟四：解算波束2信號的復(fù)包絡(luò)，具體解算方法如下： 如果魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)采用了實信號采樣方法，則按照上述步驟得到的波束2是實信號， 對波束2的實信號進行Hilbert變換，首先將其變換為復(fù)信號，再按照下面復(fù)信號包絡(luò)求解 方法解算波束2信號的復(fù)包絡(luò)； 如果魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)采用了復(fù)信號采樣方法，則按照上述步驟三得到的波束2是復(fù)信 號，可直接解算其復(fù)包絡(luò)；假設(shè)波束2復(fù)信號Y2的采樣數(shù)據(jù)長度為L，每個采樣點的具體數(shù) 據(jù)為y2k=ak+bk*i，k= 1，2,…，L，則波束2信號的復(fù)包絡(luò)為
步驟五：利用波束2信號的復(fù)包絡(luò)與波束1信號進行對應(yīng)乘積復(fù)合處理。即假設(shè)波束 1信號的采樣數(shù)據(jù)序列為ylk=ck+dk*i，k= 1，2,…，L，則利用波束2信號復(fù)包絡(luò)的每個采 樣點數(shù)據(jù)5^與波束1信號對應(yīng)同一時刻的采樣點數(shù)據(jù)ylk進行乘積運算處理，得到乘積復(fù) 合處理后的信號為：
這樣得到的信號zk，k= 1，2,…，L即為復(fù)合波束輸出信號的采樣數(shù)據(jù)序列。
3. -種如權(quán)利要求2所述的魚雷自導(dǎo)波束銳化方法，其特點在于，所述步驟二具體包 括如下子步驟： 子步驟1 :按照參考文獻方法，根據(jù)陣元數(shù)N和要求的波束主旁瓣比B，計算各陣元的幅 度加權(quán)系數(shù)Ai,i= 1，2,…，N，令
子步驟2 :根據(jù)需要形成的水平或垂直波束的主軸方向，利用Ai,i= 1，2,…，N，構(gòu)建各 陣元信號的幅度和相位綜合加權(quán)系數(shù)W1,W2,W3，…，WN_i，Wn，即
式（4)中，f?為信號頻率，單位為Hz; 0為需要形成的水平或垂直波束主軸方向，單位 為rad，d為等效均勻線列陣的陣元間距，單位為m，c為水中的聲波傳播速度，單位為m/s。 子步驟3 :利用該加權(quán)系數(shù)Wi，i= 1，2,…，N，通過對等效均勾線列陣1?N各陣元接 收信號進行加權(quán)求和，在空間需要的方向上形成主瓣寬度小、旁瓣相對較高的波束1，即假 設(shè)等效均勻線列陣各陣元的接收信號分別為Xi,i= 1，2,…，N，則波束1輸出為
【文檔編號】G01S7/52GK104502904SQ201410566305
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月22日
【發(fā)明者】樊書宏, 周晶, 趙水兵 申請人:中國船舶重工集團公司第七〇五研究所