一種基於子陣劃分的波束形成後幹擾阻塞方法與流程
2023-08-04 07:17:26 1
本發明是一種基於子陣劃分的波束形成後幹擾阻塞方法，涉及拖曳線列陣強幹擾抑制領域，特別涉及一種子陣劃分的波束形成幹擾阻塞算法方法。
背景技術：
微弱信號的檢測與估計是陣列信號處理的關鍵技術之一。當目標信號很弱而幹擾信號較強時，在空間譜估計中目標信號的譜峰會被強幹擾的旁瓣所掩蓋，對微弱信號檢測概率和波達方向估計造成很大影響。因此，若要實現對微弱目標的檢測和估計，必須對強幹擾進行有效抑制。
在實際工程中，基於幹擾方位特性的幹擾阻塞算法是經常用到的，但是該方法往往存在抵消範圍大的問題。當幹擾和目標相距較近時，在抵消幹擾的同時會使目標受到嚴重衰減，進而影響信號的進一步檢測。
對此，本發明針對幹擾和信號相距較近的情況，提出了一種基於子陣劃分的波束形成後幹擾阻塞方法。本方法通過子陣劃分將陣列劃分為若干子陣，然後在子陣上進行波束形成、幹擾阻塞抵消。利用本方法可以減小幹擾阻塞方法的抵消範圍，當目標和幹擾相距較近時使幹擾抵消後的信號受到的較小的衰減，利於信號的進一步檢測。理論分析及Matlab數值仿真結果表明：本發明較幹擾阻塞方法有較小的地抵消範圍。
技術實現要素：
本發明的目的是在強幹擾和目標相距較近的情況下提出了一種基於子陣劃分的波束形成後幹擾阻塞方法，以對強幹擾抑制的改進處理方法，以減少幹擾抑制後對目標的衰減程度。
一種基於子陣劃分的波束形成後幹擾阻塞方法，其特徵在於，包括下列步驟：
步驟一：獲取拖曳線列陣中各個陣元的接收信號，將各陣元接收信號記為xi(n),1≤i≤M，M為陣元數；
步驟二：對步驟步驟一中的陣列進行子陣劃分，子陣劃分規則是每P個陣元取1個陣元組成子陣，即每隔P-1個取一個，且每個陣元僅能被劃分一次，劃後第i個子陣的第j個陣元表示為xij；
步驟三：對步驟二中的各個子陣在強幹擾方向進行波束形成，各個子陣的波束輸出為y1,…,yP；
步驟四：對步驟三中P個子陣的波束輸出結果y1,…,yP，利用強幹擾的方位先驗知識構造幹擾阻塞矩陣，進行強幹擾抵消，幹擾抵消後的結果為y′1,…,y′P-1；
步驟五：對步驟四中幹擾抵消後的結果y′1,…,y′P-1，進行波束形成，得到目標信號的空間譜。
在所述步驟二與4)中，步驟2)中對陣列每P個(即每隔P-1個)陣元取1個陣元組成子陣；步驟4)中對各子陣波束形成後的結果利用幹擾阻塞算法進行幹擾抵消，在子陣波束輸出結果上進行強幹擾抵消較傳統幹擾阻塞算法的抵消範圍小，利於信號的進一步檢測與估計。
本發明的優點：
本方法針對幹擾和信號相距較近的情況，提出了一種基於子陣劃分的波束形成後幹擾阻塞方法。本方法通過子陣劃分將陣列劃分為若干子陣，然後在子陣上進行波束形成、幹擾阻塞抵消。利用本方法可以減小幹擾阻塞方法的抵消範圍，當目標和幹擾相距較近時使幹擾抵消後的信號受到的較小的衰減，利於信號的進一步檢測。理論分析及Matlab數值仿真結果表明：本發明較幹擾阻塞方法有較小的地抵消範圍。
附圖說明
圖1、本發明流程圖；
圖2、本發明拖曳線列陣布陣示意圖接收信號陣元布陣圖；
圖3、本發明幹擾抵消後目標信號相對於真實目標信號的幅度變化倍數；
圖4、本發明衰減區間定義示意圖；
圖5、本發明目標與幹擾相距較近時，陣列接收信號直接波束形成結果示意圖；
圖6、本發明幹擾阻塞方法強幹擾抵消後的結果示意圖；
圖7、本發明基於子陣劃分的波束形成後幹擾阻塞方法強幹擾抵消後的結果示意圖；
具體實施方式
一種基於子陣劃分的波束形成後幹擾阻塞方法，其特徵在於，包括下列步驟：
步驟一：獲取拖曳線列陣中各個陣元的接收信號，將各陣元接收信號記為xi(n),1≤i≤M，M為陣元數；
步驟二：對步驟步驟一中的陣列進行子陣劃分，子陣劃分規則是每P個陣元取1個陣元組成子陣，即每隔P-1個取一個，且每個陣元僅能被劃分一次，劃後第i個子陣的第j個陣元表示為xij；
步驟三：對步驟二中的各個子陣在強幹擾方向進行波束形成，各個子陣的波束輸出為y1,…,yP；
步驟四：對步驟三中P個子陣的波束輸出結果y1,…,yP，利用強幹擾的方位先驗知識構造幹擾阻塞矩陣，進行強幹擾抵消，幹擾抵消後的結果為y′1,…,y′P-1；
步驟五：對步驟四中幹擾抵消後的結果y′1,…,y′P-1，進行波束形成，得到目標信號的空間譜。
在所述步驟二與4)中，步驟2)中對陣列每P個(即每隔P-1個)陣元取1個陣元組成子陣；步驟4)中對各子陣波束形成後的結果利用幹擾阻塞算法進行幹擾抵消，在子陣波束輸出結果上進行強幹擾抵消較傳統幹擾阻塞算法的抵消範圍小，利於信號的進一步檢測與估計。
現結合附圖對本發明作進一步的描述。
在對本發明的方法做詳細說明前，首先對本發明方法所適用的拖曳線列陣加以描述。圖2為拖曳線列陣示意圖，該接收拖線陣是陣元數為M的等間距水平線陣，目標從θ方向輻射信號、幹擾從Ф方向輻射吸納後，經水聲信道傳播後到達該拖曳線列陣。以該接收拖線陣為例，下面對本發明的方法做詳細說明。
參考圖，本發明的方法包括以下步驟：
步驟1)：當目標和幹擾在方位上相距較近時，可以採用下面所述方法實現對幹擾的有效抵消，且可以避免對目標信號的削弱，利於信號的進一步檢測和估計。
首先獲取拖曳線列陣中各個陣元的接收信號，將各陣元接收信號記為xi(n),1≤i≤M(M為陣元數)
此情況下陣列的輸出信號為：
X(t)＝{x1(t),x2(t),…，xM(t)}T (1)
其中xk(t)，k＝1,2,..,M表示第k個陣元在時刻t的輸出信號，它包括I(t)、S(t)以及環境噪聲。T表示矩陣轉置。
假設環境噪聲各向同性；目標和幹擾均為遠場信號，且均以平面波形式到達陣列；幹擾信號、目標信號和環境噪聲相互獨立。在上述假設下(1)式的向量形式為
X(t)＝AS(t)+N(t) (2)
式中X(t)為M×1維陣列接收信號，S(t)為N×1維信號空間(N為信源個數，包括信號和幹擾)，N(t)為M×1維噪聲數據，A為M×N的導向矢量矩陣，按照圖1中假定的信源數目和各信源入射角度有A＝[aI(θ),aS(Φ)]，其中
式(3)、(4)中c表示信號傳輸速度。
步驟2)：對步驟1)中的陣列進行子陣劃分，子陣劃分規則是每P個(即每隔P-1個) 陣元取1個陣元組成子陣，且每個陣元僅能被劃分一次，劃後第i個子陣的第j個陣元表示為xij。
步驟3)：對步驟2)中的各個子陣在強幹擾方向波束形成，各個子陣的波束輸出為y1,…,yP。
步驟4)：對步驟3)中P個子陣的波束輸出結果y1,…,yP，利用強幹擾的方位先驗知識構造幹擾阻塞矩陣，進行強幹擾抵消，幹擾抵消後的結果為y′1,…,y′P-1。
各子陣波束輸出信號經y1,…,yP，過阻塞矩陣W後可得到抵消強幹擾後的信號y′1,…,y′P-1，幹擾阻塞矩陣W如式(5)所示。
步驟5)：對步驟4)中幹擾抵消後的結果y′1,…,y′P-1，進行波束形成得到目標信號的空間譜。
本發明的方法與現有技術中的方法相比具有明顯的優點，實際幹擾抵消中常用的幹擾阻塞算法。
幹擾阻塞算法是近幾年來國內學者提出的寬帶強幹擾抑制方法，該算法充分利用強幹擾的先驗知識構造阻塞矩陣抑制抑制方位的強幹擾。但是當幹擾和目標的方位角很近時，該算法會在抑制幹擾的同時會對信號造成衰減，進而影響信號的進一步檢測與估計。
由式(2)、(3)、(4)可知信號和幹擾的角度均體現在導向矩陣A上。幹擾阻塞算法算法就是利用幹擾入射角度Φ作為先驗知識對矩陣A進行降秩，進而消去幹擾的影響。幹擾阻塞算法算法利用(M-1)×M阻塞矩陣實現矩陣A的降秩。阻塞矩陣如(6)式所示
對導向矩陣A利用阻塞矩陣W處理有
WA＝[a′I,a′S] (7)
由式((7)可知經過阻塞矩陣即可濾去強幹擾，式中a'I與a'S均為(M-1)維列向量，其中
a′I＝[0 0 … 0]T (8)
接下來對比幹擾阻塞算法，對基於子陣劃分的波束形成後幹擾阻塞算法具有較小的抵消範圍進行理論分析。
但由式(8)發現，消除強幹擾後得到的目標信號頻域形式為經過阻塞矩陣W′濾去強幹擾的同時信號也會受到影響。消除強幹擾後得到的目標信號頻域形式為
S'(ω)＝S(ω)[1-e-jω(dcosθ-dcosΦ)/c] (10)
由上式知抵消幹擾後的目標信號S'(ω)相對於真實目標信號S(ω)發生了失真。S'(ω)與S(ω)的比值隨信號入射角度θ的變化如圖3所示。
對於基於子陣劃分的波束形成幹擾阻塞方法而言，其陣列的接收信號可表示為
將該均勻線列陣每N個陣元分成一個子陣，則該陣列可以分為m個子陣。將個子陣在強幹擾方向進行波束形成，波束形成後各子陣的輸出為
上式利用幹擾阻塞算法抵消強幹擾可得幹擾抵消後的信號(用頻域表示)為對上式化簡可得，
信號的衰減是幅值的衰減，為了便於分析信號幅值的變化，將式(13)取模寫為
為了方便分析基於子陣劃分的波束形成後幹擾阻塞方法在信號衰減範圍方面的改善，定義衰減區間其中與的含義如圖4所示，即當目標處於位置時，強幹擾抵消後目標恰好不被衰減；當目標位於與之間時，會因為幹擾的抵消而受到衰減，故該區間稱為衰減區間。
針對(11)式，首先單獨分析第一部分對信號幅值的影響，將帶入該部分可得此時在衰減區間左、右邊界上的θ分別滿足
由衰減區間定義知左邊界上的角度記為右邊界上的角度記為考慮寬帶強幹擾的情況，只有在處各子帶疊加後|S'(ω)|才取0。所以對寬帶強幹擾而言，要使衰減區間的定義有意義，衰減區間的邊界滿足：是θ從開始往左第一次使等於的值，同理是往右第一次等於的值。又因為對θ而言是連續函數，所以此時有
對於基於陣元組合的幹擾阻塞算法而言，同理可得
由式(17)、(18)、(19)、(20)可得，
由上述兩式得
接下來討論與與的大小
因為P≥2，所以又因為與與均在o到π之間，所以進而可得
接下來分析基於陣元組合的幹擾阻塞算法對信號衰減程度的影響。由於在衰減區間外幹擾抵消不會削弱信號，不影響信號的進一步檢測，所以這裡討論改進算法在衰減區間內對信號衰減程度的影響。
記為γ，可將寫為γ的函數，如下式所示。
由式(17)、(18)知，γ在衰減區間內的取值範圍為由f(γ)的性質易得，其在上單調遞減，在上單調遞增。
上述陣元組合相當於對f(γ)放縮了P倍，即
在上，由於P≥2，所以在該區間某一角度γ0上有Pγ0f(γ0)；同理可得在區間上，有f(Pγ0)>f(γ0)。所以在衰減區間內基於陣元組合的幹擾阻塞算法減小了信號的衰減程度。
現在重點分析式(11)第二部分，為了分析方便我們將第二部分變為N的函數，即
通過分析，我們知道(13)式第一部分可以減少衰減區間，現在分析第二部分對衰減區麼易得f(N)也是N的增函數，所以f(N)>＝f(1)＝1。那麼由於f(N)的存在使原來衰減區間邊 界上的信號大於1，是邊界內部變化係數為1/f(N)<1對應的角度成為衰減區間，這樣衰減區間會進一步減少。
下面結合實例，對本發明方法與幹擾抵消方法的效果進行比較。
利用MATLAB仿真驗證經過陣元組合的JJM算法在抑制寬帶強幹擾方面的有效性並驗證其在減少信號衰減方面的先進性。仿真中採用64元均勻線列陣，陣元間距為2.5m；幹擾和目標信號均為寬帶隨機信號，頻率範圍為100～300Hz，信幹比為-20dB；背景噪聲為帶限高斯噪聲，頻率範圍為100～300Hz；採樣頻率為5000Hz；水中聲速取為1500m/s；陣元組合中取相隔80m的陣元(即每32個陣元取1個陣元)組成1個子陣，該陣列共分為32個子陣，每個子陣含有2個陣元。
分別給出寬帶強幹擾和弱信號在方位角較近時幹擾阻塞算法與基於子陣劃分的波束形成後幹擾阻塞方法的強幹擾抑制結果。仿真中信噪比取為-15dB，幹擾和信號的入射角度分別為20度和30度。對陣列接收信號直接進行常規波束形成的結果如圖5所示。利用幹擾阻塞算法抵消強幹擾後波束形成結果如圖6所示，利用基於陣元組合的幹擾阻塞算法進行強幹擾抵消後波束形成結果如圖7所示。圖中取100s數據，每1S做一次強幹擾抑制處理。
通過圖5可見由於強幹擾的存在使弱目標無法被檢測到。通過圖6可知利用幹擾阻塞算法抵消強幹擾後，由於幹擾阻塞算法衰減區間較大且在衰減區間內會對信號造成嚴重衰減，所以抵消後信號仍未在方位歷程圖上顯示出來；通過圖7可知基於子陣劃分的波束形成後幹擾阻塞方法通過陣元組合的方法減小了信號衰減，使弱目標在方位歷程圖上顯現出來。通過本次仿真可見，基於陣元組合的幹擾阻塞算法較幹擾阻塞算法的信號衰減小，當弱信號和強幹擾相距較近時有利於幹擾抵消後信號的進一步檢測。
通過上述仿真結果可以看出，在相同的條件下，當目標和幹擾在方位上相距較近時，基於子陣劃分的波束形成後幹擾阻塞方法較幹擾阻塞算法有較小的衰減範圍，在消去強幹擾後可以對目標進行進一步檢測。
最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。儘管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
一種基於子陣劃分的波束形成後幹擾阻塞方法，其特徵在於，包括下列步驟：
步驟一：獲取拖曳線列陣中各個陣元的接收信號，將各陣元接收信號記為xi(n),1≤i≤M(M為陣元數)；
步驟二：(誰)對步驟1)中的陣列進行子陣劃分，子陣劃分規則是每P個(即每隔P-1個)陣元取1個陣元組成子陣，且每個陣元僅能被劃分一次，劃後第i個子陣的第j個陣元表示為xij；
步驟三：(誰)對步驟2)中的各個子陣在強幹擾方向(是已知嗎？)波束形成，各個子陣的波束輸出為y1,…,yP；
步驟四：(誰)對步驟3)中P個子陣的波束輸出結果y1,…,yP，利用強幹擾的方位先驗知識構造幹擾阻塞矩陣，進行強幹擾抵消，幹擾抵消後的結果為y′1,…,y′P-1；
步驟五：對步驟4)中幹擾抵消後的結果y′1,…,y′P-1，進行波束形成得到目標信號的空間譜。
在所述步驟二與4)中，步驟2)中對陣列每P個(即每隔P-1個)陣元取1個陣元組成子陣；步驟4)中對各子陣波束形成後的結果利用幹擾阻塞算法進行幹擾抵消，在子陣波束輸出結果上進行強幹擾抵消較傳統幹擾阻塞算法的抵消範圍小，利於信號的進一步檢測與估計。