一种基于虚拟阵元的超波束形成方法
发布时间：2022-01-11 09:51
针对超波束形成方法（Hyper Beam-forming,HBF）在实际应用中的不稳定问题,依据阵元间协方差矩阵同一斜对角线上不同元素具有相同相位差的特点,提出了一种基于虚拟阵元的超波束形成方法（Hyper Beam-forming Based on Virtual Array Element,VAEHBF）。该方法按互相关法对接收阵进行虚拟扩展;按HBF思想分子阵分裂波束形成;对分裂波束形成结果进行合成,得到改善的超波束形成结果。数值仿真和实测数据处理结果表明,相比HBF方法,该方法通过对接收阵进行虚拟扩展,在保持分辨力不变的情况下,可进一步提高合成波束增益,对信噪比的适应能力得到了3 dB提高,提高了HBF的目标检测性能及方位估计能力。
【文章来源】：火力与指挥控制. 2020,45(01)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
HBF分裂波束示意图
（总第45-）火力与指挥控制2020年第1期信号处理中被广泛应用［1-5］。但该方法存在主波束宽、旁瓣级高、能量泄漏等缺点，易引起旁瓣干扰，不利于弱目标检测。为了克服CBF方法存在的主波束宽、旁瓣级高等缺点，研究学者提出了一种波束锐化方法：超波束形成方法（HyperBeam-forming，HBF）［6-8］，该方法在阵列孔径保持不变情况下，有效减小了CBF主波束宽度，抑制了旁瓣，解决了空间加权方法在进行旁瓣抑制和波束锐化折中选择问题。由现有文献［9-12］可知，现有HBF方法的实现过程通常为通过对接收阵分子阵做波束形成，形成同一方向波束对，然后在对该波束对进行和差波束运算，最后对和差波束运算结果进行合成，使波束图锐化。该过程在信噪比较高情况下，可很好实现主波束锐化和旁瓣抑制［13-15］，但该过程分子阵所用阵元数为接收阵一半，在实现主波束锐化和旁瓣抑制时，其所能达到的最低信噪比有限，在一定信噪比下不能实现对弱目标检测。为了提高HBF在低信噪比应用中的鲁棒性，依据阵元间协方差矩阵同一斜对角线上不同元素具有相同相位差的特点［16-17］，按互相关方法对接收阵进行虚拟扩展；然后按HBF思想分子阵分裂波束形成；最后对分裂波束形成结果进行合成，得到改善的超波束形成结果，本文称之为基于虚拟阵元的超波束形成方法（HyperBeam-formingBasedonVirtualArrayElement，VAEHBF）。数值仿真和实测数据处理结果表明，相比HBF，本文方法通过对接收阵进行虚拟扩展，在保持分辨力不变的情况下，进一步提高了合成波束增益，对最低信噪比的适应能力得到了3dB改善，提高了HBF的目标检测性能及方位估计能力。1HBF方法1.1基本原理图1HBF分裂波束示意图为了更直观说明HBF输出波束过程，如图1所示
"的输出为（6）由式（6）可得RH"输出为（7）由式（7）可知，RH"输出波束对目标探测能力受RL"影响。根据空间增益理论可知，采用RL"和RL形式所得空间增益分别为（8）式中，log（·）以10为底对数函数。由式（8）可知，采用RL"和RL形式所得空间增益差为。采用RL"形式，相比RL形式合成增益提高了近，即在保持分辨力不变的情况下，相比HBF方法，VAEHBF方法的探测能力得到了3dB提高。2.2实现流程及运算量分析由第2.1节理论分析可知，VAEHBF方法可分为如下步骤实现：图3CBF与HBF输出波束比较图4不同阶数下的HBF输出波束马晓强，等：一种基于虚拟阵元的超波束形成方法·87·0087
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于压缩感知DOA估计的稀疏阵列设计[J]. 刘朋露,杨洁. 电讯技术. 2017(04)
[2]改进的超波束形成算法探讨及性能研究[J]. 曹阳阳,王萍,耿明昕. 声学技术. 2016(05)
[3]波束锐化技术在多波束测深声呐中的应用[J]. 魏波,沈嘉俊,周天,李海森. 声学技术. 2016(02)
[4]基于高阶次Cross Sensor处理的波束形成方法[J]. 郑恩明,黎远松,余华兵,陈新华,孙长瑜. 振动与冲击. 2015(24)
[5]线阵分裂波束处理技术在水声探测中的应用[J]. 钱韬. 声学技术. 2015(06)
[6]Robust high-resolution beam-forming based on high order cross sensor processing method[J]. Enming Zheng,Xinhua Chen,Huabing Yu,Changyu Sun. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2015(05)
[7]一种强干扰环境下的相干弱目标DOA估计算法[J]. 刘正堂,程彦杰,马辉. 火力与指挥控制. 2015(06)
[8]水下超波束形成技术性能仿真研究[J]. 赵瑞晅,胡桥,郝保安. 舰船科学技术. 2013(03)
[9]超波束处理方法的快速实现及试验验证[J]. 王永丰,王昭辉. 声学技术. 2012(05)
[10]水中高速小目标被动检测模型及其应用[J]. 胡桥,郝保安,易红,杨云川. 鱼雷技术. 2012(04)
本文编号：3582573
【文章来源】：火力与指挥控制. 2020,45(01)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
HBF分裂波束示意图
（总第45-）火力与指挥控制2020年第1期信号处理中被广泛应用［1-5］。但该方法存在主波束宽、旁瓣级高、能量泄漏等缺点，易引起旁瓣干扰，不利于弱目标检测。为了克服CBF方法存在的主波束宽、旁瓣级高等缺点，研究学者提出了一种波束锐化方法：超波束形成方法（HyperBeam-forming，HBF）［6-8］，该方法在阵列孔径保持不变情况下，有效减小了CBF主波束宽度，抑制了旁瓣，解决了空间加权方法在进行旁瓣抑制和波束锐化折中选择问题。由现有文献［9-12］可知，现有HBF方法的实现过程通常为通过对接收阵分子阵做波束形成，形成同一方向波束对，然后在对该波束对进行和差波束运算，最后对和差波束运算结果进行合成，使波束图锐化。该过程在信噪比较高情况下，可很好实现主波束锐化和旁瓣抑制［13-15］，但该过程分子阵所用阵元数为接收阵一半，在实现主波束锐化和旁瓣抑制时，其所能达到的最低信噪比有限，在一定信噪比下不能实现对弱目标检测。为了提高HBF在低信噪比应用中的鲁棒性，依据阵元间协方差矩阵同一斜对角线上不同元素具有相同相位差的特点［16-17］，按互相关方法对接收阵进行虚拟扩展；然后按HBF思想分子阵分裂波束形成；最后对分裂波束形成结果进行合成，得到改善的超波束形成结果，本文称之为基于虚拟阵元的超波束形成方法（HyperBeam-formingBasedonVirtualArrayElement，VAEHBF）。数值仿真和实测数据处理结果表明，相比HBF，本文方法通过对接收阵进行虚拟扩展，在保持分辨力不变的情况下，进一步提高了合成波束增益，对最低信噪比的适应能力得到了3dB改善，提高了HBF的目标检测性能及方位估计能力。1HBF方法1.1基本原理图1HBF分裂波束示意图为了更直观说明HBF输出波束过程，如图1所示
"的输出为（6）由式（6）可得RH"输出为（7）由式（7）可知，RH"输出波束对目标探测能力受RL"影响。根据空间增益理论可知，采用RL"和RL形式所得空间增益分别为（8）式中，log（·）以10为底对数函数。由式（8）可知，采用RL"和RL形式所得空间增益差为。采用RL"形式，相比RL形式合成增益提高了近，即在保持分辨力不变的情况下，相比HBF方法，VAEHBF方法的探测能力得到了3dB提高。2.2实现流程及运算量分析由第2.1节理论分析可知，VAEHBF方法可分为如下步骤实现：图3CBF与HBF输出波束比较图4不同阶数下的HBF输出波束马晓强，等：一种基于虚拟阵元的超波束形成方法·87·0087
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于压缩感知DOA估计的稀疏阵列设计[J]. 刘朋露,杨洁. 电讯技术. 2017(04)
[2]改进的超波束形成算法探讨及性能研究[J]. 曹阳阳,王萍,耿明昕. 声学技术. 2016(05)
[3]波束锐化技术在多波束测深声呐中的应用[J]. 魏波,沈嘉俊,周天,李海森. 声学技术. 2016(02)
[4]基于高阶次Cross Sensor处理的波束形成方法[J]. 郑恩明,黎远松,余华兵,陈新华,孙长瑜. 振动与冲击. 2015(24)
[5]线阵分裂波束处理技术在水声探测中的应用[J]. 钱韬. 声学技术. 2015(06)
[6]Robust high-resolution beam-forming based on high order cross sensor processing method[J]. Enming Zheng,Xinhua Chen,Huabing Yu,Changyu Sun. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2015(05)
[7]一种强干扰环境下的相干弱目标DOA估计算法[J]. 刘正堂,程彦杰,马辉. 火力与指挥控制. 2015(06)
[8]水下超波束形成技术性能仿真研究[J]. 赵瑞晅,胡桥,郝保安. 舰船科学技术. 2013(03)
[9]超波束处理方法的快速实现及试验验证[J]. 王永丰,王昭辉. 声学技术. 2012(05)
[10]水中高速小目标被动检测模型及其应用[J]. 胡桥,郝保安,易红,杨云川. 鱼雷技术. 2012(04)
本文编号：3582573
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