线列阵功率谱特征恢复与拼接方法-论文.pdf

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1、2014年第2期·声学与电子工程总第114期线列阵功率谱特征恢复与拼接方法陈浩尚金涛孙伟(1．海军驻杭州地区军事代表室，杭州I，310023；2．声纳技术重点实验室，杭州，310023)摘要针对跟踪目标的功率谱特征恢复和拼接问题，从克服基阵孔径变化而引起的各频点增益不一致的机理出发，提出了一种基于恒定束宽波束形成的波形恢复方法，实现了功率谱特征的高保真度恢复。利用仿真和海试数据验证了所提方法的有效性。关键词功率谱特征；恒定束宽波束形成；特征恢复；特征拼接镌够在一定程譬度上表征誓目标辐射噪声源的振动、’运动

2、)：Ⅳ智)exp(一j2~fAr；)计萼基础上，。其篓、准至裹望竺式中，(厂)为目标源信号的频谱。令。常规波束形成是水声信号处理中应用最一一～⋯⋯⋯一⋯⋯跟踪善及目标分类识别的重要基础，衰然而受时空不一日()=Ⅳexp(、一j2△一。)c3致性、阵列误差、指向误差、基阵增益及背景噪声则有：等因素的影响，基阵接收信号发生畸变，在某些频】，(厂)：(厂)(厂)(4)翠处甚至出现“零陷”现象，导致接收端提取的目‘‘标辐射噪声特征不能有效反映目标源特性。由式(4)可知，波束形成器的输出相当于源宽带处理的长线列阵，

3、为减小处理频带与阵元信号经过一个传递函数为日()的滤波器的输出，间距失配的问题，通常对其进行分频段处理，再将输出信号功率谱可以表示为：分频段处理结果拼接组合形成全频段分析结果。然(厂)=(厂)1(厂)l(5)而由于波束形成引起的目标方位估计误差导致不同频段特征发生畸变，功率谱特征拼接接合处可能式中，()为源信号功率谱。会出现“断层”现象，即“缝合”不流畅。本文在由式(5)可知，CBF对功率谱特征的影响主分析线列阵常规波束形成(CBF)对功率谱特征影要体现在由于延时失配引起的空间滤波器(厂)响的基础上，提出

4、利用恒定束宽波束形成方法的变化上。因此，-n]~H(厂)分析接收端信号(CBBF)克服CBF对功率谱特征的影响，实现功功率谱变化情况。H(厂)的变化受延时失配△制率谱特征高保真恢复和“缝合”处的流畅拼接。约，而△和阵列误差、方位估计误差等因素毒切1cBF对功率谱特征的影响銮茎位估计误差下目标功率谱特设目标信号为(f)，则常规波束形成器(CBF)输出为：2方位估计误差影响分析目标功率谱特征提取建立在有效的目标方位=善t-r~+=善一△估计基础之上，由于受阵列误差等因素的影响，目标方位估计往往存在误差，此误差

5、将导致跟踪波束式中，Ⅳ为阵元数；为第i个阵元接收信号的实信号增益、能量等部分信息发生畸变，引起功率谱际延时；为第i个阵元的延时补偿；△为第i特征发生变化。个阵元的延时失配。若△：0，则可实现目标信2．1CBF影响分析号功率谱的完全恢复。对式(1)两边求傅里叶变阵形理想的情况下，设目标真实方位，估计换，可得：值，Ⅳ元均匀线列阵，阵元间距为d，则第i个阵元的延时失配为：1陈浩等：线列阵功率谱特征恢复与拼接方法Ari=一『f=一组随频率变化的加权系数，使得该频率处的主瓣宽度与期望波束的主瓣宽度相同，即通过调整阵

6、元--(i-1)dcos0(i-1)dcosO0——一——：(6)空间间隔，使其成为频率的函数。该方法满足dk=常数，其形成的空间滤波器在各频点上均具有相同(i一1)d(cos0一COSeo)的空间响应，从而达到恒定束宽的目的。利用空间重采样法，对一连续的线列阵以为间隔进行空间线列阵空间滤波器响应为：重采样，可以计算得到指向角为零度时，对应频率)=1Nexp(j2)的一组CBBF加权系数，即：(7)：对式(7)整理可得：妾善Sin(，(11)(厂)：一1一式中，m=l，2，．．．(为阵元数)；W)为参考频

7、Ⅳ、●●，／一sinf(8)率下对应的阵元加权系数；do=A／2。因此，线列阵空间滤波器响应可表示为：exp[()](=善(厂)eXp(j2；ncosO-cosOo、1“”“(12)1c／(9)通过加权系数的设计，使得不同频率下空间滤Nf，掰cosO-cosOo、““c／J波器幅频响应1日(厂)I保持恒定，仿真情况如图1CBF条件下，由于方位估计误差的存在，即所示。CBBF克服了CBF方位估计误差下高频衰减0≠on，引起空间滤波器幅频响应1日(厂)I在不同频的问题，可实现目标功率谱特征的高保真恢复。率下幅

8、值衰减不同，且高频衰减较大，低频衰减较常舰切比雪夫加桉波束形成指向件图小，导致CBF条件下恢复和拼接的目标功率谱特征发生高频衰减和畸变。2．2CBBF影响分析为克服CBF引起的宽带信号畸变问题，提出了恒定束宽波束形成[4，5】方法，该方法具有保持宽带信号波束宽度恒定的特性，即当信号从主瓣宽度内的＼某一方向入射时，不同频率的信号增益相同，从而一t÷二一一一＼II!一’-▲·▲I▲▲▲I保证了波束信号无畸变输出。一·▲J1．L●▲