基于多普勒信息的盲波束形成方法在声呐信号处理中的应用研究

第!"卷第"期 !##$年%%月 兵 工 学 报 &’(&&)*&*+,(&)-- ./01!",/1" !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ,/21 !##$ 基于多普勒信息的盲波束形成方法 在声呐信号处理中的应用研究" 李洪升 赵俊渭 陈华伟 王峰 郭业才 （西北工业大学航海工程学院，陕西西安，3%##3!） 摘要 本文针对水声环境和水声信号的特点，提出了一种可用于任意阵形的自适应神经网络盲波 束形成方法。该方法在未知基阵响应向量的情况下，利用水声信号多普勒频率信息，估计波束形成的权 矢量，采用神经网络的方法实现盲波束形成，从而避免了矩阵的求逆运算，不但减小了运算量而且易于 用硬件实现。此外该算法具有收敛速度快、鲁棒性强、估计精度高等优点。通过拖曳阵和体积阵的仿真 实验，验证了所提出方法的有效性和正确性。 关键词 信息处理技术；盲波束形成；水声信号；多普勒信息；神经网络；体积阵 中图分类号 (,4%%13 由于受海水温度、风浪和其它环境条件变化的 影响，声呐基阵的阵形和结构势必产生变化，即使出 现微小的变化，也会给水声信号模型的建立、波束形 成和波达方向的估计，造成困难。常规的波束形成 方法，如’56/7的最小方差无畸变响应（简称*.* 法）波束形成器［%］等，需要知道基阵响应向量等先 验知识，这就大大限制了这些方法在水声环境中的 应用。而近年来提出的盲波束形成方法，为解决这 一问题开拓了思路。文献［!］提出的利用信号周期 平稳特性进行的盲波束形成，该方法要求信号具有 非零周期平稳特性；文献［$］针对相控阵雷达信号处 理问题，提出了基于多普勒信息的盲波束形成方法， 该方法利用雷达信号的多普勒信息估计波束形成的 权矢量，从而可实现盲波束形成。不足之处是在计 算权矢量的过程中用到了矩阵的求逆运算，导致运 算量过大。本文将该方法推广到声呐信号处理中， 尝试在未知声呐基阵几何结构的条件下，利用水下 运动目标的多普勒信息估计波束形成器的权矢量， 同时引入一种基于神经网络的盲波束形成方法，避 免了矩阵的求逆运算，不但能有效提高计算速度而 且易于硬件实现。 ! 问题描述及信号模型 假设有一基阵由! 个阵元组成，阵列在空间任 意排列。水中有一远场目标，以速度" 相对基阵作 匀速运动，其辐射的窄带平面波以角度!8入射到基 阵上，则基阵接收到的数据矢量可表示为 !（#）$%"（!8）&（#）’#（#） （%(%） 其中，!（#）［)%（#）)!（#）⋯)!（#）］(；%为目标信 号的复包络；"（!8）表示目标信号的方向响应向 量；&（#）$9*!!+8#，+8$!"／"为目标信号多普勒频 移；#（#）$［,%（#）,!（#）⋯,!（#）］(表示基阵接 收到的干扰和噪声矢量。 根据波束形成的基本概念，基阵的输出为 $（#）$%:!（#）$# ! -$% ."-)-（#）（%(!） 其中，% $［.%.!⋯ .!］(为权向量。由’56/7 的最小方差法（*.*）获得波束形成器最佳权矢量 为 %/6;$#&/%<<"（!0） （%($） 式中&<<$1｛!（#）!:（#）｝为基阵输入的协方差 距阵；#为非零常数。可以看出，当"（!0）未知时上 !##!年3月收稿，!##$年=月定稿。 "国防科技重点实验室基金资助项目（>%"""#%#!#%:?#$#!），（!###@A!$1!1%） "西北工业大学博士创新基金资助项目（!##!#"） 述波束形成很难进行。文献［!］利用雷达信号的多 普勒频率信息盲估计波束形成权矢量为 ! !"""##"#$ （"#%） 其中， "#$!$｛#（%）&!（%）｝!$｛’（%）&"(’!)(%｝ （"#!） 本文将上述方法推广到声呐信号处理当中，利 用水下声学基阵与辐射声源之间存在相对运动时， 在辐射源频率中也会产生多普勒频率分量这一特性 盲估计波束形成的权矢量。另一方面，由（")%）式可 知，在计算权矢量的过程中要用到矩阵的求逆运算， 对阵元数较多的大型水声基阵而言，会给实时运算 带来困难。本文在下一节引入一种神经网络的方法 实现盲波束形成从而避免了矩阵的求逆运算。 ! 基于神经网络的盲波束形成方法 考虑到人工神经网络的并行结构，可有效地避 免矩阵的求逆运算，故提出采用一种线性规划神经 网络［%］来解决这一问题。 神经网络中放大器的输入输出关系为线性关 系，)（*）!!*，+（,）!",，放大器的输入电流 -（其元素为-.，.!"，’，⋯，/），连接电导强度矩 阵为$（其元素为0.(，.!"，’，⋯，/，(!"，’， ⋯，/）# 定义神经网络的能量函数为 $（*）!!’"0*"-" ’1 " "2 "*"’ （’#"） $（*）为一凸函数，故有最小极值存在。由*+,（基 尔霍夫定律）和系统的稳定性可推导出 %- !./0 %#- *!",- ! " !"2 &1$1（ ）$ ""$1’ （’#’） 把复信号形式分别用实部和虚部表示：! ! !2&13!30，"##!"2&13"30，"#$!(2&"3(30# 则有 !4!"""4(4 （’#5） 式 中， !4 ! !2& ! ［ ］ 30 ；(4 ! (2& "( ［ ］ 30 ；"4 ! "2& ""30 "30 " ［ ］ 2& # 令$!")，’!(4，代入（’)5）式，则可得 %- !./0 %#- *!",- ! "!"2 &1"14"（ ）4 """14(4$"""4(4 （’#%） 通过调节网络参数2和!、"，可使%-与盲波束 形成器的权矢量 !4任意接近，且可在时间常数量 级内收敛到%-# " 计算机仿真 在下面的仿真实验中，神经网络中电阻2取为 "67"，电容4取为6)6"8，!、"均取为"，网络的动 态方程采用经典的龙格9库塔（2:;<&9*:==>）法求 解。声呐波束形成器的输出信号干扰噪声比 （5672）定义为 5672! !?"#$"$$"?#$! !?);! （’#!） 其中，2@@为目标信号的功率；/;为干扰和噪声的 自相关矩阵。设有用信号为窄带信号，并从水下远 场入射。 实验" 考虑一有5’个阵元的等距拖曳线列 阵，阵元间距为半波长。假设水中远场有一目标相 对基阵以"!0／@径向速度匀速航行，目标信号从与 基阵法线成56A的方向入射到基阵上。噪声为加性 高斯白噪声，信噪比为B(CD同时有一个干扰入射基 阵的角度为E’6A，干噪比为56(CD基阵的响应见图 5)"，信干噪比的变化曲线如图5)’所示。当基阵出 现!F的结构误差时，基阵的响应见图5)5。 图5D" 基阵的响应图 8/JJ>M 分析图5D"、图5D5可知，本文提出的方法在有 无干扰时都能在期望目标方向，自适应地出现最大 的响应，而在干扰的方向形成很深的凹陷，最大的旁 瓣在E"5(C附近；而NON方法响应方向图的性能 比本文的方法要差的多，尤其在有系统误差时，性能 下降更为明显。由图5D’可知，NON方法的信干 噪比收敛速度明显比本文算法慢，且其性能很不稳 定。 PB%第%期 基于多普勒信息的盲波束形成方法在声呐信号处理中的应用研究 图!"# 信干噪比的变化曲线图 $%&"!"# ’()*+,-./..012.345 图!"! 基阵有67误差时的响应图 $%&"!"! 849,--,.240.,4:53,1--1;9%5367,--4- 实验# 某型航空吊放声呐是一种展开式体积 阵，接收阵由水平面上均匀分布的四个辐射臂组成， 每个臂上有四个基元，其俯视图如图!<=所示。假 设水中远场有一目标相对体积阵以#>?／.径向速 图!"= 某型体积阵俯视图 $%&"!"= @42A+%,9B%1&-1?4:53,+4C/?,5-%D /0B,-915,-1D4/.5%D5-10.B/D,-1--1; 度匀速航行。目标信号从!BE>F方向入射到基阵 上。噪声为加性高斯白噪声，信噪比为G>BH"同时 有两个干扰入射角度分别为IJ>F和G6>F，干噪比均 为#>BH"体积阵的响应图见图!<6。 图!"6 体积阵有67误差时的响应图 $%&"!"6 849,--,.240.,4:53,+4C/?,5-%D 1--1;9%5367,--4- 从图!"6可知，本文算法在两个干扰方向都形 成了很深的凹陷，性能优于 KLK算法。在有67 的体积阵结构误差出现时，KLK算法的性能明显 变差，而本文算法表现了很强的稳健性。 ! 结论 本文提出了一种自适应盲波束形成的新方法。 该方法利用水声信号多普勒信息估计基阵波束形成 的权矢量，采用神经网络实现盲波束形成，不但能有 效克服声学基阵阵型参数和系统误差带来的影响， 而且可避免矩阵的求逆运算，易于工程应用。通过 仿真实验，进一步验证了本文所提出的方法，不但能 自适应判定期望信号到达方向，而且还具有自适应 抑制干扰信号的能力。此外，该方法还具有收敛速 度快、鲁棒性强、估计精度高等优点。 参 考 文 献 G M1240N"O%&3-,.4C/5%40:-,P/,0D;A91+,0/?Q,-.2,D5-/?101C;.%." 8-4D"4:(RRR"GSJS，6T（U）：G=>U!G=GU # V/W，V40&XK"HC%0B1B125%+,Q,1?:4-?%0&:4-D;DC4.515%401-; .%&01C."(RRR@-10.’%&01C8-4D,..%0&，GSSJ，==（GG）：#TJU!#TTS ! 张林让，廖桂生，保铮"基于多普勒信号的盲自适应波束形成技 术"电子学报"GSSS，#T（J）：!J!!S = @10YZ，O42:%,CBNN"’%?2C,0,/-1C425%?%[15%400,594-Y：10\／Z D40+,-5,-，.%&01CB,D%.%40D%-D/%5，10B1C%0,1-2-4&-1??%0&D%-D/%5" (RRR@-10.M%-D/%510B’;.5,?.，GSUU，!!（6）：6!!!6=G >T= 兵 工 学 报 第#=卷 !"!##$%&’()*’+,-.$%"’.&!/-,0/%"1 /&)2,’.!(&’,"’,##$&0%"-,0/!)%," %"(,"!0(%1"!$#0,3&((%"1 !"#$%&’()%& *(+$,-%.)" /()%#-+.)" 0+%&1)%& 2-$3)4+" （!"#$%&’%($%&&#$%()*++&(&，,*#-./&0-&#%1*+2-&3.%$3"+4%$5�$-2，6$’"%，78997:） !"#$%&’$ ;%"<"=-$5&>+$%<>&"?@*#?$%("+(*#$-.?@*#"#>$-#"#2A%<&#/"-&#"##"2/"0=#&0&%-&<$%-.$0 ="=&#"33*#<$%(-*-.&3."#"3-&#$0-$3*@A%<&#/"-&#"3*A0-$3&%5$#*%?&%-"%<0$(%"+BC*==+&#$%@*#?"-$*%*@ A%<&#/"-&#"3*A0-$30$(%"+$0A0&<-*&0-$?"-&/&$(.-0*@>&"?@*#?&#/$-.*A-"##"2?"%$@*+<"%<"%&A#"+ %&-/*#D$0$%-#*+$%<>&"?@*#?$%(BE-3"%%*-*%+2"5*$<3*?=A-$%(-.&$%5�&*@" ?"-#$F>A-"+0*&%">+&0-.&#&"+$G"-$*%*@-.&>+$%<*=-$?$G$%(>&"?@*#?$%(-.#*A(.."#A0--*020-&?&##*#"%<."0-.&"<5"%-"(&*@ #"=$<3*%5&#(&%3&#"-&B ()*+,%-# $%@*#?"-$*%=#*3&00$%(-&3.%$HA&，>+$%<>&"?@*#?$%(，A%<&#/"-&#"3*A0-$30$(%"+，C*==+&# $%@*#?"-$*%，%&A#"+%&-/*#D，5*+A?$%"+"##"2 87I第I期 基于多普勒信息的盲波束形成方法在声呐信号处理中的应用研究 基于多普勒信息的盲波束形成方法在声呐信号处理中的应用 研究 作者： 李洪升， 赵俊渭， 陈华伟， 王峰， 郭业才 作者单位： 西北工业大学航海工程学院,陕西西安,710072 刊名： 兵工学报 英文刊名： ACTA ARMAMENTARII 年，卷(期)： 2003，24(4) 被引用次数： 3次 参考文献(4条) 1.Capon J High resolution frequency-wave number spectrum analysis 1969(08) 2.Wu Q.Wong K M Blind adaptive beamforming for cyclostationary signals 1996(11) 3.张林让.廖桂生.保铮 基于多普勒信号的盲自适应波束形成技术[期刊论文]-电子学报 1999(06) 4.Tank D.Hopfield J J Simple neural optimization network:an A/D converter,signal decision circuit,and a linear programming circuit 1988(05) 引证文献(3条) 1.张安清.邱天爽 波束域的信号盲分离方法[期刊论文]-系统工程与电子技术 2008(9) 2.雷凌.单颖春.刘献栋 行驶车辆噪声辐射研究进展及展望[期刊论文]-噪声与振动控制 2006(4) 3.张安清 盲分离技术及其在水声信号中的应用研究[学位论文]博士 2006 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_bgxb200304009.aspx 授权使用：青岛理工大学(qdlgdx)，授权号：dd49df3a-507c-4201-b80e-9dd1014b50f9 下载时间：2010年8月13日