一种用于MVDR波束形成技术的数据坏道消除方法

一种用于mvdr波束形成技术的数据坏道消除方法
技术领域
1.本发明属于水声工程领域，涉及一种适用于mvdr波束形成技术的数据坏道消除方法。


背景技术：

2.声纳是进行水下目标探测的关键手段。对于声纳来说，各通道水听器的协同工作是保证其探测识别的前提，同时，波束形成技术使目标在声纳上的显示更为明显。然而，任何设备都有发生故障的可能，当水听器存在数据坏道现象时，声纳波束形成的探测能力将会下降。
3.目前各类声纳主要采用常规波束形成技术(conventional beamforming，简称cbf)，然而cbf的波束分辨率、检测能力等受到阵列孔径和工作频率所决定的瑞利极限的限制而无法提升。capton提出的最小方差无畸变响应(minimum variance distortionless response beamforming，简称mvdr)波束形成技术是一种自适应波束形成技术，它可以根据一定的标准和权值对声纳基阵接收信号进行加权叠加，使得叠加后的信号在所应用的准则下质量最优，进而减少主瓣宽度、抑制旁瓣以及降低背景噪声产生的影响。mvdr波束形成技术是目前声纳装备高分辨技术波束形成技术重要的发展方向与研究热点。
4.不过，mvdr波束形成技术对数据质量要求相对较高，数据坏道现象会导致mvdr波束形成技术性能急剧下降。数据坏道现象在水听器上的具体体现就是水听器无输出信号或者输出信号幅值异常。在潜艇上，水听器的布放位置、间距、工艺，信号处理设备以及各设备之间的线路数据输送等都会影响接收信号的质量。因此，数据坏道现象是潜艇日常工程实践过程中容易出现的问题，成为mvdr波束形成技术无法在潜艇声纳中广泛应用的重要原因之一。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的是提供一种适用于mvdr波束形成技术的数据坏道消除方法，可以消除数据坏道对mvdr波束形成技术的影响，为推动自适应波束形成技术在水下装备的应用奠定基础。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
7.一种用于mvdr波束形成技术的数据坏道消除方法，包括以下步骤：
8.步骤一：通过采集设备获取m通道n点阵元域数据x(n)；所述采集设备为声纳；
9.步骤二：选取某段时间内声信号数据，计算各通道信号的能量，当第m通道的能量小于左右相邻两个通道信号能量均值的1/10时，则认为第m通道水听器数据损坏；
[0010][0011]
步骤三：将损坏的第m通道数据空置为数值较大的高斯噪声数据：
[0012]
x'm(n)＝a
·
g(n)；
[0013]
式中x'm(n)为重构后的信号，g(n)为归一化的高斯噪声信号，a为幅度系数，一般取正常接收数据(以相邻阵元数据为准)最大幅度的10倍以上；
[0014]
步骤四：将m通道信号x'm(n)，m＝1，2，...m，n＝1,2，...n做n点的fft，将其转换到频域：
[0015]
x(fn)＝fft[x'(n)]；
[0016]
步骤五：自适应波束形成提取目标方位：首先将步骤四所得数据对应的频点乘以对应相位差exp(j
·
2π
·fn
·
τm(θi))；
[0017]
y(fn)＝x(fn)exp[j2πfnτm(θi)]；
[0018]
式中，τm(θi)是第i个信号源到达第m号阵元相对于参考阵元的时间延迟，它只和目标信号所处的方位有关；
[0019]
然后构建协方差矩阵
[0020][0021]
接着由协方差矩阵计算输出功率p(θi)：
[0022][0023]
最后根据输出功率p(θi)的最大值位置确定目标方位。
[0024]
本发明的优点：经过比对测试，本发明方法可以有效消除数据坏道对mvdr波束形成技术的影响，仿真结果表明其性能与不存在坏道基本相当，有助于推动自适应波束形成技术在声纳装备上的应用。
附图说明
[0025]
图1是坏道数据存在前后cbf与mvdr波束形成的结果对比图。
[0026]
图2是不同通道空置幅值情况下的cbf和mvdr输出结果对比图。
具体实施方式
[0027]
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，以下所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028]
实施例1：
[0029]
步骤一：仿真生成均匀间隔直线阵接收信号x(n)，通道数目为32，单个通道数据点数为1000。存在单个目标，目标信号为宽频色噪声(-6db/oct衰减)，目标入射角为70度，加性噪声为非相干高斯白噪声，信噪比20db。
[0030]
步骤二：令10号水听器为坏道，首先将其信号数据缩小为原来数据的1/10，此时阵元接收数据记为x1(n)。
[0031]
步骤三：将损坏的第10通道数据空置为高斯噪声数据，高斯噪声数据的幅度依次设置为第9通道数据最大幅值的0.1、0.5、1、10倍，相应的阵元接收数据记为x2(n)。
[0032]
步骤四：分别将32通道阵元域实信号xm(n)、m＝1，2，...32，n＝1,2，...1000做fft，将其转换到频域x(fn)＝fft[x(n)]。其中，的处理结果作为对比例。
[0033]
步骤五：自适应波束形成提取目标方位：首先将步骤四所得数据对应的频点乘以对应相位差exp(j
·
2π
·fn
·
τm(θi))；
[0034]
y(fn)＝x(fn)exp[j2πfnτm(θi)]；
[0035]
式中，τm(θi)是第i个信号源到达第m号阵元相对于参考阵元的时间延迟，它只和目标信号所处的方位有关。
[0036]
然后构建协方差矩阵
[0037][0038]
接着由协方差矩阵计算输出功率p(θi)：
[0039][0040]
最后根据输出功率p(θi)的最大值位置确定目标方位。
[0041]
对比分析了数据坏道存在前后以及不同通道空置幅值情况下的cbf与mvdr输出结果，如图1、2所示。从图中可以看出：
[0042]
(1)数值较小坏道的存在对于cbf影响不大，而对于mvdr则是致命的，1个坏道的存在直接导致波束形成结果无法正常检测。
[0043]
(2)对于mvdr而言，把坏道空置为数值较大的噪声时，其检测结果与不存在坏道基本一致，验证了大幅值通道空置方案的有效性。
[0044]
(3)对于cbf而言，随着空置幅值的增加，其性能下降，主要是大的幅值影响到了阵列的相关求和结果。
[0045]
对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。