CN105372644B - 一种基于动态重修正的自适应波束形成方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应波束形成方法及系统。根据接收设备间的协同通信和采样协方差矩阵动态地估计真实输入矢量协方差矩阵，从而最小化特征值的分散情况。改善了自适应波束的性能，降低环境干扰的变化对信号接收的影响，提高波束形成的准确性和稳健性。实现方案如下：1)通过接收端阵元得到样本，计算样本数据的协方差矩阵。作为干扰加噪声的协方差矩阵的估计值；2)通过协同设备发送来的参考信号和本设备预存的参考信号构建协方差矩阵的误差矩阵；3)由2)得到误差矩阵对1)获得样本数据的协方差矩阵进行动态调整，得到改进的样本协方差矩阵；4)确定对角加载系数；5)采用基于LCMV的IQRD‑SMI算法进行权向量求解，生成自适应波束。

Description

一种基于动态重修正的自适应波束形成方法及系统

技术领域

本发明涉及水下声成像领域，尤其涉及一种基于动态重修正的自适应波束形成方法及系统。

背景技术

水下声成像技术已经在国防和民用领域取得广泛的应用，主要用于水下目标探测与搜索，水底地貌绘制，海底沉船打捞等众多军事和民用领域。声成像是采用换能器主动发射声波，通过水听器阵列接收回波数据，并采用信号处理手段来形成目标在某个二维平面上的图像。由于应用不同，各种成像的技术要求、指标和方法不尽相同。如数字多波束成像、合成孔径成像技术、时间反转成像技术和高分辨成像技术等。

为了实现水下目标的实时高清晰声成像，就必须采用高分辨成像技术，而波束形成技术是高分辨声成像的核心。由于水下环境的复杂性、声传播损失和吸收损失以及实际系统的限制，波束形成有一定的误差和干扰，阵列信号处理中存在很多不确定性问题，例如阵列安装误差、估计的样本协方差矩阵误差、指向误差等。在本系统中，多个探测器的协同合作能在很大程度上提高扫描速度。并可计算得出扫描时间和探测器数量之间成反比的关系。此外多探测器的协同合作也是当下在研项目探索深海三维立体扫描，对体目标进行精确成像的数学模型的有效支撑。

综合上述，特提出一种基于动态重修正的自适应波束形成方法及系统。

发明内容

为了改进现有技术(对角加载技术)对接收信号数据的估计不足而引起的自适应波束形成性能的下降，本发明的第一目的是在对角加载技术的基础上提出了一种自适应波束形成的新方法，并能很好地在工程中得到应用。该方法可以在形成自适应波束中自动修正和矫正接收数据，有效减少数据偏差，提高波束形成的准确性和稳健性，并提高水下探测的准确性。

本发明的第二目的在于提供一种自适应波束形成系统，如图5所示，该系统实现简单，有利于减少波束形成过程中的偏差，提高波束形成的准确性和稳健性。

为实现上述第一目的，本发明提供一种基于动态重修正的自适应波束形成方法，所述方法包含如下步骤：

步骤1：如图3所示，考虑平面空间的等距均匀线阵，设阵元数为M，阵元间距为d，其他d＝λ/2，其中λ为阵列接收单元接收信号的波长，假设有L个信源回波(M＞L)，设波达方向为θ₁，θ₂，...，θ_L，以阵列的第一个阵元作为基准点，则在第k次快拍的采样点m的采样值为：

式中n_m(k)表示第m个阵元上的噪声，s_i(t)表示各信源回波在基准点的基带信号。

步骤2：各阵元在快拍k时刻接收到的信号分别为x₁(k)，x₂(k)，...，x_M(k)，即：x(k)＝[x₁(k)，x₂(k)，...，x_M(k)]^T，此为阵列输入矢量。假设远场平面波信号包含不相关的P个干扰信号，则x(k)＝As(k)+n(k)，得到协方差矩阵估计值为式中k表示阵列天线接收的信号帧数，x(i)表示阵列天线上i时刻接收的信号。i＝1，2，...，k。采样频率为f，上标H表示矩阵的共拒装置，A为L个信号源对应的方向矢量。其中

即：

步骤3：在上述接收基阵背面加一个信号接收单元用于和协同工作设备的通信和误差调整，设两设备始终工作在对方的远场某处，可近似看作平面波从空间某一方向射入到基阵，信号入射方向为θ，通过交互信息获得。协作设备之间通过确认信息之后开始进行误差动态调整。令波束指向等于θ，减少扫描时间，接收器接收信号的频率，设为阵列天线的采样频率f，由直线型接收天线阵列可知，相邻阵元接收到的信号，由于误差而引起相位差为因为令波指向θ_B等于θ，所以接收阵元不需要进行相移，通信接收器模拟直线阵列进行误差矩阵估计时，模拟的第i个基元与第1个基元之间接收信号的相位差为φ_i＝(i-1)φ，此时假定通信接收器接收信号的相位为0，x′_i(n)为系统在快拍n时刻各阵元的模拟采样信号

x′_i(n)＝w_i exp[j(fn+φ_i)]

w_i为幅度加权系数，在此设w_i＝1；c为光速，r_i为各阵元相对于参考点(第1个基元)的位置，k为波束向量，α＝k/|k|表示电波的传播方向，为单位向量，

x′_i(n)的频带带宽B比载波值f_c小很多，信号x′_i(n)变化相对缓慢，满足关系故有即信号包络在各个模拟阵元上的差

异可以忽略不计。则模拟出阵列天线一个采样时刻的数据向量，记作

其中mT+n′＝n(即快拍n时刻)，此处约定n≥T，以避免m-1＜0情况。(表示向下取整)；为参考信号的周期；x′_i(m)表示接收矩阵第i个阵元的模拟数据，

得到参考信号的协方差矩阵估计值为

设备预存的参考信号协方差为与接收到的参考信号之间的关系为得到误差矩阵的估计为D_xx。

步骤4：对干扰加噪声的协方差矩阵估计值进行改进，改进后的协方差矩阵为R_xx，它们之间满足：得到修改后的协方差矩阵R_xx。

步骤5：修改后的协方差矩阵R_xx与对角加载后的协方差矩阵之间的关系满足R＝R_xx+LI

取ε＝std[diag(R_xx)]，则对角加载系数L满足下述不等式

ε≤L≤trace(R_xx)/M，其中M是阵元数；trace表示轨迹。

由对角加载技术确定对角加载系数L，得到输入矢量协方差矩阵R。由步骤2得知系统在快拍k时刻接收到的信号分别为x₁(k)，x₂(k)，...，x_M(k)，即：

x(k)＝[x₁(k)，x₂(k)，...，x_M(k)]^T，输入数据矩阵X_m＝[x^T(1)，x^T(2)，...，x^T(n)]^T。则系统的输出信号为y(n)＝w^Hx(n)，输出功率为P(n)＝E{|y(n)|²}＝E{|w^H(n)x(n)|²}＝w^H(n)Rw(n)2然后采用基于LCMV的逆QR分解采样矩阵求逆，即IQRD-SMI算法求解权向量w，生成自适应波束。

为了实现上述第二目的，本发明提供一种自适应波束成形成系统，所述系统中包括：

信号预处理模块(100)，用于对接收阵列接收到的信号进行滤波放大、下边频等预处理，得到基带信号，完成采样。

空间协方差矩阵估计模块(101)，用于接收100模块发送的采样数据，并对其进行计算，得到采样数据的空间协方差矩阵估计矩阵。

输入矢量数据阵(102)，是把100模块的采样信息缓存在高速存储器中，作为权向量生成算法的已知量保存。

改进后的空间协方差矩阵估计模块(103)，是本发明的核心内容。是根据205模块得到的误差矩阵对系统最初得到的空间协方差矩阵估计进行改进，用于逼近真实的空间协方差矩阵值。

对角加载模块(104)，是在得到改进后的协方差矩阵估计值的基础上，根据已成熟的对角加载技术对协方差矩阵进行加载，得到加载后的空间协方差矩阵。

输入矢量协方差矩阵(105)，是完成对角加载后的空间协方差矩阵，并同102模块一样，保存在高速存储器中，作为IQRD-SMI算法求解权向量的输入。

权向量生成模块(106)是根据IQRD-SMI算法求解权向量的算法模块，从而生成自适应波束。

缓存模块(200)，是对单路通信信号的采样进行缓存处理，然后通过采集周期性的通信信号来模拟接收阵元的接收数据。

信号分离模块(201)，是根据探测器之间的通信协议和预存参考信号模块204的信息对缓存后的信号进行分离，得到通信数据和参考信号的采样值。

通信数据模块(202)，是用于保存201模块分离出来的探测器之间的通信信息的模块，其中包括相对位置等，然后计算得出信号的入射角等信息。

参考信息模块(203)，是采样得到的发送端发送过来的预存参考信号的接收值，并计算得到模拟信号的空间协方差矩阵估计值。

预存参考信号模块(204)，是系统预先保存在高速寄存器中的参考信号。

误差矩阵生成模块(205)，是本发明的核心，是根据探测器之间的通信信生成的信号误差矩阵值。

本发明的有益效果是：通过基于动态重修正的自适应波束形成算法克服了传统的对角加载技术单纯地使用采样协方差矩阵估计真实方差矩阵的对角元素和估计误差的缺点，利用探测器之间的协同通信，建立了探测器之间的通信模型，通过构建误差矩阵来逼近真实的协方差矩阵。该算法不仅能提高自适应波束的形成质量，也能利用探测器之间的协同来降低扫描时间，提高扫描效率，自动适应变化的外界环境对系统的影响。在本发明的具体实施中，系统实现采用两个以上的探测器协作实现信号的收集。在信号的搜集过程中各个探测器是通过其接收基阵背面加一个信号接收单元进行实时通讯的。另外，系统采用的直线型信号接收阵存在扫描角度限制，在其扫描盲区通过增加一个信号接收阵元来模拟系统的采样信号误差矩阵，是对系统资源的有效利用。它们彼此为对方提供信号的误差信息。在不断变化的深海环境中，能实时地动态地对误差矩阵进行调控，有效地减少了环境因素对信号的干扰，使得探测更加便捷准确。

附图说明

图1系统流程图。

图2系统实施图。

图3均匀线波束形成图。

图4探测器通信原理图

图5自适应波束形成系统图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明的基本思想是：利用探测器之间的相互通信，获得信号上的某些参数信息，利用它们对基于对角加载技术的参数估计和基于LCMV原则的IQRD-SMI权向量算法进行有效改进。进而获得质量更高，速度更快，更能适应环境变化的自适应波束。

本发明提供的自适应波束形成系统如图5所示，其中：

信号预处理模块(100)，用于对接收阵列接收到的信号进行滤波放大、下边频等预处理，得到基带信号，完成采样。

空间协方差矩阵估计模块(101)，用于接收100模块发送的采样数据，并对其进行计算，得到采样数据的空间协方差矩阵估计矩阵。

输入矢量数据阵(102)，是把100模块的采样信息缓存在高速存储器中，作为权向量生成算法的已知量保存。

改进后的空间协方差矩阵估计模块(103)，是本发明的核心内容。是根据205模块得到的误差矩阵对系统最初得到的空间协方差矩阵估计进行改进，用于逼近真实的空间协方差矩阵值。

对角加载模块(104)，是在得到改进后的协方差矩阵估计值的基础上，根据已成熟的对角加载技术对协方差矩阵进行加载，得到加载后的空间协方差矩阵。

输入矢量协方差矩阵(105)，是完成对角加载后的空间协方差矩阵，并同102模块一样，保存在高速存储器中，作为IQRD-SMI算法求解权向量的输入。

权向量生成模块(106)是根据IQRD-SMI算法求解权向量的算法模块，从而生成自适应波束。

缓存模块(200)，是根据本算法的需要，对单路通信信号的采样进行缓存处理，然后通过采集周期性的通信信号来模拟接收阵元的接收数据。

信号分离模块(201)，是根据探测器之间的通信协议和预存参考信号模块204的信息对缓存后的信号进行分离，得到通信数据和参考信号的采样值。

通信数据模块(202)，是用于保存201模块分离出来的探测器之间的通信信息的模块，其中包括相对位置等，然后计算得出信号的入射角等信息。

参考信息模块(203)，是采样得到的发送端发送过来的预存参考信号的接收值，并计算得到模拟信号的空间协方差矩阵估计值。

预存参考信号模块(204)，是系统预先保存在高速寄存器中的参考信号。

误差矩阵生成模块(205)，是本发明的核心，是根据探测器之间的通信信生成的信号误差矩阵值。

图1是本发明的自适应波束生成的系统流程图，结合图5所示的自适应波束形成系统进行描述，该方法包括如下：

如图3所示，考虑平面空间的等距均匀线阵，设阵元数为M，阵元间距为d，其他d＝λ/2，其中λ为阵列接收单元接收信号的波长，假设有L个信源回波(M＞L)，设波达方向为θ₁，θ₂，...，θ_L，以阵列的第一个阵元作为基准点。则在第k次快拍的采样点m的采样值为：

式中n_m(k)表示第m个阵元上的噪声，s_i(t)表示各信源回波在基准点的基带信号。因此各阵元在快拍k时刻经过模块100的处理后得到采样信号分别为x₁(k)，x₂(k)，...，x_M(k)，即：x(k)＝[x₁(k)，x₂(k)，...，x_M(k)]^T，此为阵列输入矢量，保存在模块102中，形成输入矢量数据阵。假设远场平面波信号包含不相关的P个干扰信号，则x(k)＝As(k)+n(k)，根据100模块得到的采样数据值作为模块101的输入，得到协方差矩阵估计值为式中k表示阵列天线接收的信号帧数，x(i)表示阵列天线上i时刻接收的信号。i＝1，2，...，k。采样频率为f，上标H表示矩阵的共拒装置，A为L个信号源对应的方向矢量。其中

即：

在上述接收基阵背面加一个信号接收单元用于和协同工作设备的通信和误差调整，设两设备始终工作在对方的远场某处，可近似看作平面波从空间某一方向射入到基阵，信号入射方向为θ，通过交互信息获得。协作设备之间通过确认信息之后开始进行误差动态调整。令波束指向等于θ，减少扫描时间，接收器接收信号的频率，设为阵列天线的采样频率f，由直线型接收天线阵列可知，相邻阵元接收到的信号，由于误差而引起相位差为因为令波指向θ_B等于θ，所以接收阵元不需要进行相移，通信接收器模拟直线阵列进行误差矩阵估计时，模拟的第i个基元与第1个基元之间接收信号的相位差为φ_i＝(i-1)φ，此时假定通信接收器接收信号的相位为0，系统在快拍n时刻模拟采样信号是从模块200中进行读入的。经过信号分离模块(201)，通信数据送往202模块用于计算得到系统的通信信息(如入射角信息θ等)，参考信息采样值被送往模块203中保存，模块203中的缓存数据是时间间隔为一个采样周期f的采样数据值，用于模拟系统在快拍n时刻各阵元的采样信号，记为x′_i(n)：

x′_i(n)＝w_i exp[j(fn+φ_i)]

w_i为幅度加权系数，在此设w₁＝1；c为光速，r₁为各阵元相对于参考点(第1个基元)的位置，k为波束向量，α＝k/|k|表示电波的传播方向，为单位向量，

x′_i(n)的频带带宽B比载波值f_c小很多，信号x′_i(n)变化相对缓慢，满足关系故有即信号包络在各个模拟阵元上的差

异可以忽略不计。则模拟出阵列天线一个采样时刻的数据向量，记作

其中mT+n′＝n(即快拍n时刻)，此处约定n≥T，以避免m-1＜0情况。(表示向下取整)；为参考信号的周期；x′_i(m)表示接收矩阵第i个阵元的模拟数据，然后通过计算得到参考信号的协方差矩阵估计值为将数据传递给模块205。

模块204预存的参考信号协方差为与接收到的参考信号之间的关系为将其参考信号的空间协方差矩阵传递给模块205，由模块205计算生成误差矩阵的估计为D_xx。

模块103接收模块101和模块205的参数，对干扰加噪声的协方差矩阵估计值进行改进，改进后的协方差矩阵为R_xx，传递给模块104，进行再次对角加载，得到的数据为输入矢量协方差矩阵。它们之间满足：

修改后的协方差矩阵R_xx与对角加载后的协方差矩阵之间的关系满足

R＝R_xx+LI

取ε＝std[diag(R_xx)]，则对角加载系数L满足下述不等式

ε≤L≤trace(R_xx)/M，其中M是阵元数；trace表示轨迹。

由对角加载技术确定对角加载系数L，得到输入矢量协方差矩阵R，保存在模块105中。由步骤2得知系统在快拍k时刻接收到的信号分别为x₁(k)，x₂(k)，...，x_M(k)，即：x(k)＝[x₁(k)，x₂(k)，...，x_M(k)]^T，输入数据矩阵X_n＝[x^T(1)，x^T(2)，...，x^T(n)]^T。则系统的输出信号为y(n)＝w^Hx(n)，输出功率为P(n)＝E{|y(n)|²}＝E{|w^H(n)x(n)|²}＝w^H(n)Rw(n)。模块106接收模块102和模块105的数据，采用基于LCMV的逆QR分解采样矩阵求逆，即IQRD-SMI算法求解权向量w，生成自适应波束。

该系统实现简单，有利于减少波束形成过程中的偏差，提高波束形成的准确性和稳健性。

(1)如图2所示，系统实现采用两个以上的探测器协作实现信号的收集。在信号的搜集过程中各个探测器是进行实时通讯的。它们彼此为对方提供信号的误差信息。在不断变化的深海环境中，能实时地动态地对误差矩阵进行调控，有效地减少了环境因素对信号的干扰，使得深海探索更加便捷准确。

(2)在本系统中，多个探测器的协同合作能在很大程度上提高扫描速度(如图4所示)。并可计算出扫描时间和探测器数量是成反比的关系。此外多探测器的协同合作也是当下在研项目探索深海三维立体扫描，对体目标进行精确成像的数学模型的有效支撑。

(3)系统采用的直线型信号接收阵存在扫描角度限制，在其扫描盲角通过增加一个信号接受阵元来模拟系统的采样信号误差矩阵，是对系统资源的有效利用。

最后说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于动态重修正的自适应波束形成方法，其特征在于：该方法用于波束形成系统，该系统由信号预处理模块、改进后的空间协方差矩阵估计模块、缓存模块、信号分离模块、通信数据模块、参考信息模块、预存参考信息模块、误差矩阵生成模块组成，其中：

改进后的空间协方差矩阵估计模块，是根据误差矩阵生成模块得到的误差矩阵对系统最初得到的空间协方差矩阵估计进行改进，用于逼近真实的空间协方差矩阵值；

缓存模块，是对单路通信信号的采样进行缓存处理，然后通过采集周期性的通信信号来模拟接收阵元的接收数据；

信号分离模块,是根据探测器之间的通信协议和预存参考信号模块的信息对缓存后的信号进行分离，得到通信数据和参考信号的采样值；

通信数据模块，是用于保存信号分离模块分离出来的探测器之间的通信信息的模块，其中包括相对位置，然后计算得出信号的入射角信息；

参考信息模块，是采样得到的发送端发送过来的预存参考信息的接收值，并计算得到模拟信号的空间协方差矩阵估计值；

预存参考信息模块，是系统预先保存在高速寄存器中的参考信息；

误差矩阵生成模块，是根据探测器之间通信信息的模块生成的信号误差矩阵值；

其步骤如下：

S1,通过波束形成系统得到输入矢量数据阵和空间协方差矩阵估计，在探测器的接收基阵背面加一个信号接收单元用于和协同工作设备的通信和误差调整，设两设备始终工作在对方的远场某处，可近似看作平面波从空间某一方向射入到基阵，信号入射方向为θ，通过交互信息获得；

S2,协作设备之间通过确认信息之后开始进行误差动态调整，令波束指向等于θ，减少扫描时间，接收器接收信号的频率，设为阵列天线的采样频率f,由直线型接收天线阵列可知，相邻阵元接收到的信号，由于误差而引起相位差为因为令波指向θ_B等于θ，所以接收阵元不需要进行相移，通信接收器模拟直线阵列进行误差矩阵估计时，模拟的第i个基元与第1个基元之间接收信号的相位差为φ_i＝(i-1)φ，此时假定通信接收器接收信号的相位为0，x′_i(n)为系统在快拍n时刻各阵元的模拟采样信号

x′_i(n)＝w_iexp[j(fn+φ_i)]

w_i为幅度加权系数，在此设w_i＝1；c为光速，r_i为各阵元相对于参考点第1个基元的位置，k为波束向量，α＝k/|k|表示电波的传播方向，为单位向量，x′_i(n)的频带带宽B比载波值f_c小很多，信号x′_i(n)变化相对缓慢，满足关系故有即信号包络在各个模拟阵元上的差异,则模拟出阵列天线一个采样时刻的数据向量，记作

其中mT+n′＝n,n为快拍时刻，此处约定n≥T，以避免m-1＜0情况；其中表示向下取整为参考信号的周期；x′_i(m)表示接收矩阵第i个阵元的模拟数据，得到参考信号的协方差矩阵估计值为

设备预存的参考信号协方差为与接收到的参考信号之间的关系为得到误差矩阵的估计为D_xx。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态重修正的自适应波束形成方法，其特征在于是对干扰加噪声的协方差矩阵估计值进行改进，改进后的协方差矩阵为R_xx，它们之间满足：得到修改后的协方差矩阵R_xx，修改后的协方差矩阵R_xx与对角加载后的协方差矩阵之间的关系满足R＝R_xx+LI取ε＝std[diag(R_xx)]，则对角加载系数L满足下述不等式ε≤L≤trace(R_xx)/M，其中M是阵元数；trace表示轨迹；通过对角加载技术确定对角加载系数L，得到输入矢量协方差矩阵R，根据实施系统之前得到的输入矢量数据阵，采用基于LCMV的逆QR分解采样矩阵求逆，即IQRD-SMI算法求解权向量w，生成自适应波束。

3.根据权利要求1所述的一种基于动态重修正的自适应波束形成方法，其特征在于波束形成系统实现是采用两个以上的探测器协作实现信号的收集；在信号的搜集过程中各个探测器是通过其接收基阵背面加一个信号接收单元进行实时通讯的；另外，系统采用的直线型信号接收阵存在扫描角度限制，在其扫描盲区通过增加一个信号接收阵元来模拟系统的采样信号误差矩阵，是对系统资源的有效利用，它们彼此为对方提供信号的误差信息；协作设备始终工作在对方的远场某处，可近似看作平面波从空间某一方向射入到基阵，信号入射方向为θ，通过交互信息获得，令波束指向也等于θ，减少扫描时间，接收器接收信号的频率，设为阵列天线的采样频率f，得到系统在快拍n时刻各阵元的模拟采样信号x_i′(n)，进而计算出参考信号的协方差矩阵估计值为在系统的高速缓存中，设备预存的参考信号协方差为与接收到的参考信号之间的关系为得到误差矩阵的估计为D_xx。