基于分层排布球阵的稳健高分辨波束形成方法与

本发明涉及水声阵列信号处理领域，具体涉及一种基于分层排布球阵的稳健高分辨波束形成方法。背景技术：1、相比于一维线列阵，球形阵是一种三维阵，具有很好的三维空间对称性，能更好地在立体空间内实现波束的均匀性和对称性。球阵的布阵方式主要分为两种，一是多面体布阵，即用多面体近似等效为球阵，每一个面为基础的多元面阵；二是沿经纬线布阵，即阵元沿球面的经纬线排布。2、在阵列信号处理中，通过常规波束形成(conventional beamforming，cbf)处理来获得阵增益，提高目标探测能力，但是，cbf主瓣波束宽度宽、旁瓣级高，降低了空间分辨能力，在多目标处理时容易产生混叠，强信号干扰下弱目标检测能力较弱。3、《球形阵二维波束形成快速算法》提供了一种基于球阵的快速波束形成方法，其计算速度优于cbf，但分辨能力与cbf一致，并不具备目标高分辨能力；最小方差无畸变响应(minimum variance di步骤tortionle步骤步骤re步骤pon步骤e，mvdr)之类的经典高分辨波束形成方法，虽然有较高的分辨能力，但因需要矩阵求逆处理，计算量大，对数据快拍数，阵元误差等非常敏感，整体稳健性较差。技术实现思路1、本发明的目的在于提供一种基于分层排布球阵的稳健高分辨波束形成方法，以解决背景技术中提出的常规波束形成主瓣宽、旁瓣高、弱目标检测能力较差等问题。2、为实现上述目的，本发明提供技术方案如下：3、一种基于分层排布球阵的稳健高分辨波束形成方法，包括以下步骤：4、步骤1，以所述分层排布球阵的球心处为原点，构建三维坐标系，球阵各阵元位置信息以三维坐标表示；5、步骤2，结合所有期望的j*m个预成波束方向获取优选阵元的扇面信息矩阵arn×j×m，为水平角度，θ为俯仰角度，n为总阵元数；6、步骤3，结合阵元位置信息和扇面信息矩阵，计算分层排布球阵在分析频带内各频率的点扩散函数值；7、步骤4，基于扇面信息矩阵，对阵元数据做有效扇面内的常规波束形成，获得cbf的频域波束数据；8、步骤5，将频域波束数据分频点求能量，得到各频点的cbf功率谱；对cbf功率谱和分层排布球阵的点扩散函数值进行相同频点下的r-l反卷积计算，得到各频点的反卷积波束数据；9、步骤6，对所有频点的反卷积波束数据求和后，按照数据节拍做长积分累积，得到当前频带内的反卷积方位能量谱结果。10、优选地，所述步骤2为：11、计算各阵元法向与各预成波束方向的夹角α，若α<90°，则将对应预成波束方向下的对应阵元状态置为1，否则置为0。12、优选地，所述步骤3中，分层排布球阵的点扩散函数为：13、14、式中，n为总阵元数，nt为构成分层排布球阵的圆环阵的总层数，t的层数索引，nt为各层阵元数，r为球阵半径，为阵元状态，j0为零阶贝塞尔函数。15、优选地，所述常规波束形成的计算公式为：16、17、式中，f表示频率，l为水声目标个数，al为第l个水声目标的信号强度，pl为第l个水声目标在各阵元的相移向量，j为虚数，τn为各阵元接收的信号时延，为不同入射角度下实际参与阵元数。18、优选地，所述步骤4中，各频点的cbf功率谱的计算公式为：19、pcbf(f)＝|b(f)|220、式中，f表示频率，b表示频域波束数据。21、优选地，所述反卷积计算包括以下子步骤：22、将步骤4所得的cbf功率谱b(f)和步骤3所得的分层排布球阵的点扩散函数da(f)代入下式：23、|b(f)|2＝|da(f)|2*|s|224、经r-l反卷积计算得到单个频点目标水平方位分布函数的反卷积估计结果pdcv1，其中s为目标方位分布函数，*表示卷积计算。25、与现有技术相比，本发明的有益效果为：26、本发明在cbf基础上进行针对分层排布球阵的反卷积波束形成优化，在保持与cbf-致稳健性的同时，收窄主瓣宽度，降低旁瓣高度，提高方位分辨力和弱目标检测能力。技术特征：1.一种基于分层排布球阵的稳健高分辨波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：2.如权利要求1所述的一种基于分层排布球阵的稳健高分辨波束形成方法，其特征在于，所述步骤2为：3.如权利要求1所述的一种基于分层排布球阵的稳健高分辨波束形成方法，其特征在于，所述步骤3中，分层排布球阵的点扩散函数为：4.如权利要求1所述的一种基于分层排布球阵的稳健高分辨波束形成方法，其特征在于，所述常规波束形成的计算公式为：5.如权利要求4所述的一种基于分层排布球阵的稳健高分辨波束形成方法，其特征在于，所述步骤4中，各频点的cbf功率谱的计算公式为：6.如权利要求5所述的一种基于分层排布球阵的稳健高分辨波束形成方法，其特征在于，所述反卷积计算包括以下子步骤：技术总结本发明公开了一种基于分层排布球阵的稳健高分辨波束形成方法，包括：以所述分层排布球阵的球心处为原点，构建三维坐标系，获取各阵元位置信息；结合所有期望的预成波束方向，获取优选阵元的扇面信息矩阵；计算球阵在分析频带内各频率的点扩散函数值；对阵元数据做有效扇面内的常规波束形成，获得CBF的频域波束数据后，分频点求能量，得到各频点的CBF功率谱；对CBF功率谱和分层排布球阵的点扩散函数值进行相同频点下的R‑L反卷积计算，得到各频点的反卷积波束数据，累计求和后，按照数据节拍做长积分累积，得到当前频带内的反卷积方位能量谱结果。本发明在保留与常规波束形成一致的稳健性的条件下，获得更高的方位分辨能力和检测能力。技术研发人员：张铮,陈晏余,孔强,祝献,徐雅南,张俊,范泽亚受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一五研究所技术研发日：技术公布日：2024/8/16