專利名稱：一種聲納波束處理方法及其數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聲納波束處理方法及其數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，主要用于水下任意形狀傳感器陣列的數(shù)據(jù)采集和波束圖的優(yōu)化設(shè)計。聲納波束圖優(yōu)化方法采用“凹槽噪聲場法”和自適應(yīng)陣處理技術(shù)完成，為支持本發(fā)明所提出的聲納波束處理方法而設(shè)計的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理機組成。
聲納波束對主瓣形狀、波束指向誤差、束寬、副瓣級等有明確的要求。為解決聲納波束圖的優(yōu)化設(shè)計，理論上曾經(jīng)提出過理想建模優(yōu)化方法。如“凹槽噪聲場法”，是一種純理論建模波束優(yōu)化方法。該方法提出了“凹槽噪聲場法”和“任意形狀傳感器陣列方向圖最佳優(yōu)化設(shè)計”的概念，將自適應(yīng)陣處理理論應(yīng)用于任意形狀的傳感器基陣。但是，依靠理想化建模獲得的結(jié)果，當(dāng)其應(yīng)用于實際聲納系統(tǒng)時，所測得的波束圖質(zhì)量不佳。這是因為理論與實際存在的距離。在實際工程應(yīng)用中，由于復(fù)雜的陣形結(jié)構(gòu)會引起聲遮蔽、散射和透射效應(yīng)造成陣元響應(yīng)的不一致；制造工藝的原因會造成基陣的形狀和尺寸誤差，這一切使得無法得到滿足實際需要的波束圖，出現(xiàn)了所測得的波束圖性能嚴重偏離預(yù)期結(jié)果的現(xiàn)象。所以在工程應(yīng)用中，一直希望能找到一種新的權(quán)系數(shù)優(yōu)化方法，以便對任何實際的任意形狀的傳感器陣列均能得到實用的波束圖。
為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出了一種聲納波束處理方法及其數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。本方法基于陣列數(shù)據(jù)重構(gòu)陣列流形的自適應(yīng)波束形成算法，完全建立在實測陣列數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上。陣列數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是一種獨立于信號處理機的功能集成化的數(shù)字系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)陣列數(shù)據(jù)采集與波束圖優(yōu)化設(shè)計，而且能夠做波束圖測量。
本發(fā)明的思想在于解決實際工程中的任意幾何形狀傳感器陣波束圖的優(yōu)化設(shè)計與測量?？紤]對于一個給定的任意結(jié)構(gòu)形狀的傳感器陣列，采用“凹槽噪聲場法”，在保持主瓣方向和束寬一定以及輸出噪聲功率最小的條件下，應(yīng)用自適應(yīng)波束形成理論求解一組最佳權(quán)系數(shù)。設(shè)定陣列信號矢量為C，噪聲矢量為X，W為最佳權(quán)系數(shù)，求得波束輸出信號Y＝WT(X+C)；其特征在于最佳權(quán)系數(shù)矢量WOPT的求取不再是理論求解所得到的
而是引入從實測陣列數(shù)據(jù)估計的陣列流形α(θi)后而求得的最佳權(quán)系數(shù)矢量WOPT。本發(fā)明提出的最佳權(quán)系數(shù)矢量WOPT由以下方法求得首先對凹槽噪聲場向量引入實測陣列流形α(θi)加以修正，并設(shè)由J個分別來自θ1，θ2，θ3，…θJ方向的零均值窄帶噪聲σi·N(t)，則
然后根據(jù)自適應(yīng)建模波束優(yōu)化方法期望輸出信號
即而得陣列數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣
數(shù)據(jù)與期望信號的協(xié)方差矩陣
根據(jù)上述陣列數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣和數(shù)據(jù)與期望信號的協(xié)方差矩陣求得最佳權(quán)系數(shù)矢量Wopt＝R-1·P。由于陣列流形中已經(jīng)隱含了客觀因素的作用，因此最佳權(quán)系數(shù)矢量WOPT起到了修正理論求解值所引起的偏差。這種改進的波束優(yōu)化方法能獲得理想的、滿足實際需要的波束圖。
本發(fā)明提出一種實現(xiàn)上述波束優(yōu)化方法的陣列數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，由計算機(2)和數(shù)據(jù)采集卡(1)組成，能夠完成陣列數(shù)據(jù)采集、陣列波束圖優(yōu)化設(shè)計和陣列波束圖測量。其特征在于數(shù)據(jù)采集卡(1)是一種高速陣列數(shù)據(jù)采集卡，由數(shù)據(jù)緩沖隔離器(3)、握手電路(4)、CPU(5)、程序存儲器(6)和數(shù)據(jù)存儲器(7)以及譯碼電路(8)組成。握手電路(4)接收聲納的握手信號，CPU(5)控制數(shù)據(jù)緩沖隔離器(3)從聲納讀入數(shù)據(jù)，當(dāng)CPU(5)搜索到同步頭之后，便按傳感器序號把陣列數(shù)據(jù)存到數(shù)據(jù)存儲器(7)中。當(dāng)一批數(shù)據(jù)采集完畢，再把數(shù)據(jù)存儲器(7)中的內(nèi)容存入計算機(2)的硬磁盤。程序存儲器(6)放置CPU(5)的執(zhí)行程序，譯碼電路(8)產(chǎn)生程序存儲器(6)和數(shù)據(jù)存儲器(7)的片選信號。


圖1陣列數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)原理框2數(shù)據(jù)采集卡原理框3實施例框圖1—數(shù)據(jù)采集卡 2—計算機 3—數(shù)據(jù)緩沖隔離器 4—握手電路 5—CPU6—數(shù)據(jù)存儲器 7—程序存儲器 8—譯碼電路 9—體積陣 10—信號預(yù)處理11—同軸電纜 12—解調(diào)裝置現(xiàn)結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步詳述本實施例是利用本發(fā)明的一種陣列數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，針對一個由64個陣元組成的體積陣完成的波束優(yōu)化設(shè)計與波束圖測量。陣列數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的計算機(2)選用商用PC機，數(shù)據(jù)采集卡(1)的數(shù)據(jù)緩沖隔離器(3)采用三態(tài)輸出總線傳送接收器，握手電路(4)采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，CPU(5)采用高速DSP芯片，程序存儲器(6)采用高速RAM，數(shù)據(jù)存儲器(7)采用多端口存儲器，譯碼電路(8)采用GAL電路。
在系統(tǒng)的前端，信號源是一個64陣元組成的體積陣(9)，陣列信號經(jīng)過與體積陣(9)聯(lián)結(jié)的信號預(yù)處理(10)和同軸電纜(11)送入解調(diào)裝置(12)。解調(diào)的信號送入陣列數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。陣列數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)采集的實際的陣列數(shù)據(jù)估計陣列流形α(θi)，計算R和P，求得最佳權(quán)系數(shù)矢量WOPT，再根據(jù)Y＝WoptT·X計算得出波束輸出信號，從而測繪出體積陣的全景多波束圖。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點在于基于陣列數(shù)據(jù)估計陣列流形的波束優(yōu)化方法，解決了純理論建模求解的優(yōu)化權(quán)應(yīng)用于實際聲納系統(tǒng)時波束圖嚴重變壞這一難題。本發(fā)明方法可以應(yīng)用于任意結(jié)構(gòu)形狀傳感器陣列方向圖的優(yōu)化設(shè)計，這是其他方法無法完成的。為實現(xiàn)本方法而設(shè)計的陣列數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以完成復(fù)雜陣列波束圖的優(yōu)化設(shè)計與工程波束圖測量。系統(tǒng)設(shè)計合理，使用方便。
權(quán)利要求
1.一種聲納波束處理方法，對于任意幾何形狀傳感器陣波束圖的優(yōu)化設(shè)計與測量，考慮對于一個給定的任意結(jié)構(gòu)形狀的傳感器陣列，采用“凹槽噪聲場法”，在保持主瓣方向和束寬一定以及輸出噪聲功率最小的條件下，應(yīng)用自適應(yīng)波束形成理論求解一組最佳權(quán)系數(shù)，設(shè)定陣列信號矢量為C，噪聲矢量為X，W為最佳權(quán)系數(shù)，求得波束輸出信號Y＝WT(X+C)；其特征在于最佳權(quán)系數(shù)矢量WOPT的求取不再是理論求解所得到的
而是引入從實測陣列數(shù)據(jù)估計的陣列流形α(θi)后而求得的最佳權(quán)系數(shù)矢量WOPT。
2.如權(quán)利要求1所述的聲納波束處理方法，其特征在于最佳權(quán)系數(shù)矢量WOPT由以下方法求得首先對凹槽噪聲場向量引入實測陣列流形α(θi)加以修正，并設(shè)由J個分別來自θ1，θ2，θ3，…θJ方向的零均值窄帶噪聲σi·N(t)，則
然后根據(jù)自適應(yīng)建模波束優(yōu)化方法期望輸出信號
即而得陣列數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣
數(shù)據(jù)與期望信號的協(xié)方差矩陣
根據(jù)上述陣列數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣和數(shù)據(jù)與期望信號的協(xié)方差矩陣求得最佳權(quán)系數(shù)矢量WOPT＝R-1·P。
3.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1的聲納波束處理方法的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，由計算機(2)和數(shù)據(jù)采集卡(1)組成，其特征在于數(shù)據(jù)采集卡(1)是一種高速陣列數(shù)據(jù)采集卡，其組成為接受聲納同步信號的握手電路(4)聯(lián)接CPU(5)，前置接收陣列數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)緩沖隔離器(3)、程序存儲器(6)、數(shù)據(jù)存儲器(7)以及譯碼電路(8)聯(lián)接CPU(5)的總線上。
4.一種如權(quán)利要求3所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征在于數(shù)據(jù)采集卡(1)的數(shù)據(jù)緩沖隔離器(3)采用三態(tài)輸出總線傳送接收器，握手電路(4)采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，CPU(5)采用高速DSP芯片，程序存儲器(6)采用高速RAM，數(shù)據(jù)存儲器(7)采用多端口存儲器，譯碼電路(8)采用GAL電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種聲納波束處理方法及其數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),采用“凹槽噪聲場法”,求解最佳權(quán)系數(shù)矢量W
文檔編號G01N29/00GK1246615SQ98112959
公開日2000年3月8日 申請日期1998年9月2日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月2日
發(fā)明者馬遠良, 肖國有, 吳仁彪, 王英民, 史新華 申請人:西北工業(yè)大學(xué)