[发明专利]一种适用于水下长线阵的相位匹配波束形成方法

说明书

本发明提供了一种相位匹配波束形成方法，利用基阵频域数据设计加权系数矩阵，克服水下长线阵在实际海域使用时由于水声信道起伏引起声场相关性衰减所导致的波束形成阵增益下降问题，在接收信号空间相关性下降时，仍能够获得较高的阵增益。首先，将水下长线阵的时域接收数据变换到频域，然后，根据频域数据矩阵获得加权系数矩阵，最后，进行波束形成。本发明方法无需进行模态提取和信号相关性预估，也无需对接收数据协方差矩阵进行求逆，且在复杂海洋波导环境下仍可获得比常规波束形成、最小方差无失真响应波束形成和特征值波束形成更高的阵增益。

技术领域

本发明属声呐阵列信号处理技术领域，具体涉及一种适用于水下长线阵的相位匹配波束形成方法。

背景技术

利用大孔径线列阵探测水下目标具有其独特的优势。但受海洋波导环境的影响，阵元间接收信号的空间相关性减弱，这将导致传统波束形成算法的阵增益下降，如常规波束形成(Conventional Beamformer,CBF)、最小方差无失真响应波束形成(MinimumVariance Distortionless Response Beamformer,MVDR)和特征值波束形成(EigenvalueBeamformer,EBF)等，进而影响声呐的探测性能。针对此问题，L Xie等在文献“L Xie,CSun,X H Liu,G Y Jiang.The array gain of conventional beamformer affected bystructure of acoustic field in continental slope area.Acta Phys.Sin,2016,65(14)144303.”中详细分析了陆架斜坡海洋波导环境中水平阵常规波束形成阵增益与水下声场之间的关系。文献“T.C.Yang,Modal beamforming array gain.J.Acoust.Soc.Am.,1989,85(1),146-151.”提出了一种模波束形成方法，该方法在浅海波导环境中能够获得较高的阵增益，但该方法需先进行模态提取，且只适用于波导环境不随距离变化的海域。HCox在文献“H Cox.Line array performance when the signal coherence is spatiallydepenent.J.Acoust.Soc.Am.1973,54(6),1743-1746.”中提出一种分子阵方法，在相关性下降较严重时，能够获得比全阵处理较高的阵增益，但子阵划分需预先对信号相关性进行估计，且其是以牺牲全阵处理性能为代价的，使得水下长线阵探测优势减弱。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种相位匹配波束形成方法(MatchedPhase weighting Beamforming,MPBF)，利用基阵频域数据设计加权系数矩阵，克服水下长线阵在实际海域使用时由于水声信道起伏引起声场相关性衰减所导致的波束形成阵增益下降问题，在接收信号空间相关性下降时，仍能够获得较高的阵增益。首先，将水下长线阵的时域接收数据变换到频域，然后，根据频域数据矩阵获得加权系数矩阵W_MP，最后，进行波束形成。本发明方法无需进行模态提取和信号相关性预估，也无需对接收数据协方差矩阵进行求逆等步骤，且在复杂海洋波导环境下(如波导环境随距离变化的陆架斜坡海域)仍可获得比常规波束形成、最小方差无失真响应波束形成和特征值波束形成更高的阵增益。

一种适用于水下长线阵的相位匹配波束形成方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对各阵元接收数据进行FFT变换，得到频域接收数据矩阵X；