[发明专利]一种空时二维滤波的快速宽带波束形成方法

说明书

本发明属于水下声传感器阵列信号处理领域，具体涉及一种空时二维滤波的快速宽带波束形成方法，包括以下步骤：以符合Niquest定理的采样率进行采样，每个通道采集的数据按时间顺序排列成列向量，组成一个T×N维的数据矩阵，列的编号依次为j＝0,1,…,N‑1，行的编号依次为i＝0,1,…,T‑1；确定采样倍数M以及相邻通道时延补偿点数T₀；计算坐标矩阵主值区间P⁽⁰⁾(T₀)，规定坐标矩阵的列编号从左至右依次为j＝0,1,…,N‑1，行编号从上至下依次为i＝0,1,…,M‑1，则P⁽⁰⁾(T₀)的第i行第j列元素为本发明提出了坐标矩阵计算方法，并利用坐标矩阵直接对有效数据进行计算，略去了大部分的冗余计算量，从而达到快速计算的目的。

技术领域

本发明属于水下声传感器阵列信号处理领域，具体涉及一种空时二维滤波的快速宽带波束形成方法。

背景技术

在水下被动定位中，目标声源往往为宽带声信号。快速、准确的宽带波束形成技术对提升水下武器装备的性能具有重要意义。

常规的宽带数字波束形成建立在量化时延的基础上，因而输出波束的扫描范围、角度步进值等参量均受到采样率的限制。为了保证输出波束的质量，往往需要较高的采样率。当接收阵为标准半波长均匀线阵时，描述了宽带时域波束形成的过程。其中，N表示线阵中一共存在N个阵元，x_i(n)表示第i个通道的接收信号时间序列。τ_s为时延补偿，该补偿必须为采样周期的整数倍。即τ_s＝kT_s,k＝0,±1,±2,…，其中T_s为采样周期，与采样率f_s的关系为

由于k只能取离散值，所以τ_s只能为离散值。若希望使用更小数值的τ_s进行精确度更高的扫描，则只能使用更小的T_s值，即需要提高系统的采样率。根据采样定理，为了能够不失真地恢复信号，采样率应当为信号最高频率的2倍，即萘奎斯特(Niquest)采样定理。在数字多波束中，为了保证增益不明显下降，通常要求采样率为信号最高频率的3-5倍。而这种要求只能保证增益下降不多，若希望波束指向性图失真很小，则一般要求采样率为信号最高频率的10倍以上，由此导致高采样率。高采样率对系统整体性能提出了更高的要求。在数据采集阶段，高采样率要求使用高转换速率的AD芯片，造成了硬件实现上的困难，提高了系统成本。在数据存储和传输阶段，高采样率导致了大的数据吞吐量，对数据存储设备、数据传输过程都提出了更高的要求。在数据处理阶段，更大的数据量要求处理器具有更强的计算能力。因此，需要寻求一种方法，既能够保证输出波束的质量，又能够保持较低的采样率。

采样定理表明，只要按照萘奎斯特采样定律对模拟信号进行采样，就可以无失真地将其恢复。所以，可以按照较低的采样率进行采样，在处理阶段提高采样率，这样便可以在使用低样率的同时保证输出波束的质量。通常的方法是，对每个通道采集的信号进行升采样操作，然后在高采样率下进行时延波束形成。对于存在N个通道的声呐接收阵，该方法需要进行N次插值操作。考虑到插值是一种计算量较大的数值计算方法，所以这种方法虽然降低了对硬件设备的要求，但具有较大的计算量。利用时延波束形成和升采样均为线性过程这一特点，还可以先对接收信号进行补零，然后进行时延波束形成，最后再通过插值的方法获得高采样率下的波束。对于存在N个通道的接收阵，这种方法只需要进行1次插值操作，所以降低了计算量。但由于补零过程的存在，使得在波束形成阶段的计算量成倍地增加。当希望进行M倍升采样时，计算量则提升M倍。这限制了宽带时延波束形成的快速实现。

发明内容