(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 105277932 A (43)申请公布日 2016.01.27
(21)申请号 201410347821.2(22)申请日 2014.07.21
(71)申请人中国科学院声学研究所
地址100190 北京市海淀区北四环西路21
号(72)发明人刘治宇 董飞 刘小刚 刘晓东(74)专利代理机构北京方安思达知识产权代理
有限公司 11472
代理人王宇杨 王敬波(51)Int.Cl.
G01S 7/52(2006.01)
权利要求书2页 说明书7页 附图3页
(54)发明名称
一种基于下变频波束形成中的多普勒频移校正方法(57)摘要
本发明提供了一种基于下变频波束形成中的多普勒频移校正方法，该多普勒频移校正方法引入了随机相位误差生的相位
和多普勒频移产
并通过相位补偿以消除波束形
成指向及测深误差的影响；根据仿真结果表明，利用本发明的多普勒频移的校正方法可以消除随机相位误差，有效的校正多普勒频移。
C N 1 0 5 2 7 7 9 3 2 A CN 105277932 A
权 利 要 求 书
1/2页
1.一种基于下变频波束形成中的多普勒频移校正方法，其特征在于，该多普勒频移校正方法包括：
步骤1)以各子阵的延时参考点所接收的阵列信号进行AD采样，得到该延时参考点的数字信号；
步骤2)计算每个子阵中各基元与该子阵延时参考点的延时差，并利用步骤1)中的数字信号计算得出各基元的数字信号；
步骤3)将步骤2)中得到的各基元的数字信号进行正交解调，得到各基元的复信号，并将该复信号进行升采样；
步骤4)将步骤3)中升采样后的各基元的复信号进行载波相位补偿，该载波相位的补偿项为
其中，fk为第k个频带信号的中心频率，k＝1,2…,K，K表示频带信号个数，
τm表示子阵中各基元与该子阵延时参考点的延时差，m＝1,2…M，M表示线阵的基元个数；步骤5)将步骤4)中载波相位补偿后的复信号进行加权求和，生成波束信号；步骤6)对步骤5)中生成的波束信号进行随机相位误差补偿，该随机相位误差的补偿项为
其中，fd表示多普勒频移，
fs1为延时加权
求和之前的信号速率，表示四舍五入取整运算，R为实时的横摇值，θ为波束形成的指向c为瞬时的声速值；角，l0为阵元间距，
步骤7)将计算得出的连续子阵间的理论相位差行补偿，并同时补偿多普勒频移产生的相位
对步骤6)中生成的波束信号进
其中，τ0＝d0sin(θ+Roll)/c，d0表示
两连续子阵的延时参考点间距离。
2.根据权利要求1所述的基于下变频波束形成中的多普勒频移校正方法，其特征在于，所述步骤1)的每个子阵中各基元与该子阵延时参考点的延时差表示为：
其中，θ为波束形成的指向角，l0为阵元间距，c为瞬时的声
速值，m＝1,2…M，M表示线阵的基元个数，R为实时的横摇值。
3.根据权利要求1所述的基于下变频波束形成中的多普勒频移校正方法，其特征在于，所述步骤1)中延时参考点的数字信号的复信号表示为：
其中，t为时间，经数字采样后t＝n/fs，n为数字采样序列序号，fs为采样频率，fk为第k个频带信号的中心频率，k＝1,2…,K，K表示频带信号个数，fd表示多普勒频移，表示
下变频后的基带信号的复信号形式。
4.根据权利要求3所述的基于下变频波束形成中的多普勒频移校正方法，其特征在于，所述步骤3)中的正交解调所得到各基元的复信号表示为：
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权 利 要 求 书
表示在正交解调前第m个基元接收到数字信号的复信号。
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其中，
5.根据权利要求4所述的基于下变频波束形成中的多普勒频移校正方法，其特征在于，所述步骤5)中生成的波束信号表示为：
其中,am为波束形成的加权系数，
求和之前的信号速率，表示四舍五入取整，R为实时的横摇值。
fs1为延时加权
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说 明 书
一种基于下变频波束形成中的多普勒频移校正方法
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技术领域
[0001]
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于下变频波束形成中的多普勒频移校
正方法。背景技术
波束形成技术广泛应用于雷达信号处理、通信信号处理和声纳信号处理中，它可以将某个方向的信号放大，抑制其它方向的回波信号，提高确定方向的信噪比。波束形成一般采用延时加权求和法。多波束测深声纳需要进行横摇(Roll)的姿态稳定，通常采用延时加权求和的方法进行波束形成。而下变频波束形成方法需要对阵列信号进行解调，并对基带信号进行复数延时加权求和，由于基带信号变化率较慢，可以以较低的信号采样率实现高精度的延时加权求和，该下变频波束形成方法与实数域延时加权求和法相比节省了大量计算量。
[0003] 目前，载体的三维运动引起的多普勒频移是测距系统中的重要误差源之一，一般认为在波束形成中多普勒频移对线性调频信号和简单脉冲信号的相位有影响，而对信号幅度和指向性没有影响。但是，在本文中通过理论推导和分析表明：由于多普勒频移解调后的信号并没有搬移至零频，从而引入了随机相位误差，该随机相位误差能够影响波束形成指向，产生测深误差，对线性调频信号和简单脉冲信号都会产生影响。
[0002]
发明内容
[0004] 本发明的目的在于，为克服多普勒频移对下变频波束形成的影响，从而导致形成的波束信号出现指向及相位误差的技术问题，提供一种基于下变频波束形成中的多普勒频移校正方法，利用该校正方法校正下变频波束形成中的多普勒频移，能够消除随机相位误差和指向误差。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供一种基于下变频波束形成中的多普勒频移校正方法。该多普勒频移校正方法包括：
[0006] 步骤1)以各子阵的延时参考点所接收的阵列信号进行AD采样，得到该延时参考点的数字信号；
[0007] 步骤2)计算每个子阵中各基元与该子阵延时参考点的延时差，并利用步骤1)中的数字信号计算得出各基元的数字信号；
[0008] 步骤3)将步骤2)中得到的各基元的数字信号进行正交解调，得到各基元的复信号，并将该复信号进行升采样；
[0009] 步骤4)将步骤3)中升采样后的各基元的复信号进行载波相位补偿，该载波相位的补偿项为
其中，fk为第k个频带信号的中心频率，k＝1,2…,K，K表示频带信号
个数，τm表示子阵中各基元与该子阵延时参考点的延时差，m＝1,2…M，M表示线阵的基元个数；
[0010] 步骤5)将步骤4)中载波相位补偿后的复信号进行加权求和，生成波束信号；
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说 明 书
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步骤6)对步骤5)中生成的波束信号进行随机相位误差补偿，该随机相位误差的
其中，fd表示多普勒频移，
fs1为延时
补偿项为
加权求和之前的信号速率，表示四舍五入取整运算，R为实时的横摇值，θ为波束形成的c为瞬时的声速值；指向角，l0为阵元间距，
[0012]
步骤7)将计算得出的连续子阵间的理论相位差对步骤6)中生成的波束信
号进行补偿，并同时补偿多普勒频移产生的相位
其中，τ0＝d0sin(θ+Roll)/c，d0
表示两连续子阵的延时参考点间距离。
[0013] 作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤1)的每个子阵中各基元与该子阵延时参考点的延时差表示为：
其中，θ为波束形成的指向角，l0
为阵元间距，c为瞬时的声速值，m＝1,2…M，M表示线阵的基元个数，R为实时的横摇值。[0014] 作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤1)中延时参考点的数字信号的复信号表示为：
[0015] [0016]
其中，t为时间，经数字采样后t＝n/fs，n为数字采样序列序号，fs为采样频率，
fk为第k个频带信号的中心频率，k＝1,2…,K，K表示频带信号个数，fd表示多普勒频移，
表示
下变频后的基带信号的复信号形式。
作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤3)中的正交解调所得到各基元的复信号表示为：
[0017] [0018] [0019] [0020]
其中，表示在正交解调前第m个基元接收到数字信号的复信号。
作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤5)中生成的波束信号表示为：
[0021]
[0022]
其中,am为波束形成的加权系数，fs1为延时
加权求和之前的信号速率，表示四舍五入取整，R为实时的横摇值。
[0023] [0024]
本发明的一种基于下变频波束形成中的多普勒频移校正方法的优点在于：本发明的多普勒频移校正方法引入了随机相位误差
和多普勒频移产
生的相位并通过相位补偿以消除波束形成指向及测深误差的影响；根据仿真结果表
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明，利用本发明的多普勒频移的校正方法可以消除随机相位误差，有效的校正多普勒频移。附图说明
图1是本发明实施例中的多普勒频移校正方法的流程图。[0026] 图2是相位不一致性为10度的12基元波束指向性图。
[0025] [0027]
图3是相位不一致性为10度的接收基元测深结果图。
[0028] 图4是发射信号为简单脉冲信号情况下，利用本发明的方法进行多普勒频移校正前后的相位差曲线图。
[0029] 图5是发射信号为简单脉冲信号情况下，利用本发明的方法进行多普勒频移校正前后的水深测量结果示意图。
[0030] 图6是发射信号为线性调频信号情况下，利用本发明的方法进行多普勒频移校正前后的相位差曲线图。
[0031] 图7是发射信号为线性调频信号情况下，利用本发明的方法进行多普勒频移校正前后的水深测量结果示意图。
具体实施方式
[0032] 下面结合附图和实施例对本发明所述一种基于下变频波束形成中的多普勒频移校正方法进行详细说明。
[0033] 当发射信号为简单脉冲信号情况下，多普勒频移对下变频波束形成的影响的具体分析如下所述：
[0034] 对于简单脉冲信号来说，两个连续子阵的延时参考点分别为两个子阵的几何中心，其之间的距离为d0，记作参考点一和参考点二。接收阵延时参考点一所接收到的数字信号的复信号可表示为：
[0035] [0036]
其中，t为时间，经数字采样后t＝n/fs，n为数字采样序列序号，n＝1,2…，fs为
采样频率，fk为第k个频带信号的中心频率，k＝1,2…,K，K表示频带信号个数，多普勒频移为fd。
表示
下变频后的基带信号的复信号形式。此时，第m个接收基元接收到
数字信号的复信号可表示为：
[0037]
其中，m＝1,2…M，M为线阵的基元个数。各基元与延时参考点之间的延时差τm可表示为：
[0038] [0039]
其中，l0为阵元间距，c为瞬时的声速值，θ为波束形成的指向角，R为实时的横
滚。对阵列接收到的数字信号以fk的频率进行解调，解调后的信号可表示为：
[0040] [0041]
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在进行延时加权求和时需要进行载波相位补偿，其补偿项为则第一子阵
波束形成后的信号可表示为：
[0043]
[0044]
其中,am为波束形成的加权系数，fs1为延时
加权求和之前的信号速率，表示四舍五入取整，R为实时的横摇值。
[0045] [0046] [0047]
相类似地，参考点二接收到数字信号的复信号可表示为：
其中，τ0＝d0sin(θ+Roll)/c，其为两个连续子阵参考点接收到数字信号的理论延时。重复以上(1)～(5)的推导，可以得到第二子阵波束形成后的信号可表示为：
[0048] [0049] [0050] [0051] [0052]
我们期望的下变频波束形成结果为基带信号同相累加，即：
其中，表示的期望值。
误差项二：各个基元上的相位误差
对比上述(5)式和(8)式可以看出，多普勒频移对下变频波束形成影响存在两
个误差项。误差项一：信号整体的多普勒相移
上述误差项一所引起信号整体的多普勒频移，对简单脉冲信号的幅度没有影响。该误差项一可以通过测量，并在波束形成后的多普勒频移校正去除。[0054] 上述误差项二为加在各个接收基元上的随机相位误差，该误差的大小与波束形成之前的采样率fs1和多普勒频移fd有关。由于τ′m为τm以fs1速率量化后再乘以fs1，如果需要进行横滚的波束稳定并大角度偏转，可认为各个基元的延时量τm呈连续的单调函数，因此τm-τ′m可表示为均匀分布的量化误差，τm-τ′m的概率密度函数表示式为：
[0053] [0055] [0056] [0057]
其中，e(m)为延时误差，量化间隔Δ＝1/fs1，则误差项二引起的相位误差的均方根表示为：
由于两子阵的对称性，两子阵的基元的相位误差分布相同，因此该误差项二对两
子阵波束形成后之间的相位差影响较小。在一般情况下，水声换能器的接收基元都会有一
[0058]
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定的随机相位误差，其高频阵相位误差均方根的典型值为10度。如果不对误差项二进行校正，为保证该误差不会对指向性图产生大的影响，该误差项二应远小于阵元本身的相位不一致性，即
[0059]
根据公式(10)，多普勒频移应满足：
|fd|＜0.01fs1 (11)
[0060] 对于一个半波长间隔布阵的64独立基元接收线阵，如果fs1/|fd|＝36，相当于10度的相位不一致性。如图2示出了相位不一致性为10度的12基元波束指向性图，波束指向角为60度，波束指向存在0.09度偏差，可知该误差项二会对测深结果造成影响。[0061] 如图3示出了接收基元存在相位不一致性误差的测深结果，其中，相位不一致性为10°，接收阵为半波长布阵的64基元线阵，仿真数据为500m的平底数据。从图中可知随机相位误差项会影响波束指向角，指向角的偏差会直接影响测深点的位置和深度，因此，必须对多普勒频移产生的误差项二进行校正。
[0062]
另外，通过比较公式(5)和公式(7)，去除如图1所示子阵间的理论相位差
的相位偏差。
并同时补偿多普勒频移所产生的
[0063]
通过加速度计或其它测量设备实时测量载体的运动并推算出接收波束方向的多
普勒频移fd，就可以对多普勒频移进行实时地校正。误差项二的校正可在延时加权求和中增加相位补偿项
[0064]
并在求相位差后补偿多普勒频移产生的相位
当发射信号为线性调频信号情况下，多普勒频移对下变频波束形成的影响的具体分析如下所述：
[0065] 如果发射信号为线性调频信号，接收阵延时参考点一所接收到的数字信号的复信号可表示为：
[0066]
其中，T为线性调频信号脉宽，A为调频信号起始频率，B为调频信号带宽。
Π[-T/2,T/2]是矩形窗函数，它在-T/2～T/2范围内值为1，其余值为0。
[0067] [0068] [0069] [0070] [0071] [0072] [0073] [0074] [0075]
令则(12)式可改写成：
类似地，参考点二接收到的数字信号的复信号可表示为：
最终推导得出第一子阵与第二子阵波束形成后的信号可分别表示为：
上述两式分别与仿形信号进行脉冲压缩，脉冲压缩后的信号可表示为：
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基于上述多普勒频移的分析内容，如图1所示，下变频波束形成中的多普勒频移校正方法具体步骤如下：
[0078] [0079]
步骤1)以各子阵的延时参考点所接收的阵列信号进行AD采样，得到该延时参考
点的数字信号；
[0080] 步骤2)计算每个子阵中各基元与该子阵延时参考点的延时差，并利用步骤1)中的数字信号计算得出各基元的数字信号；
[0081] 步骤3)将步骤2)中得到的各基元的数字信号进行正交解调，得到各基元的复信号，并将解调后的复信号进行升采样，为保证延时精度，升采样后的信号速率可大于带宽的30倍。
[0082] 步骤4)将步骤3)中升采样后的各基元的复信号进行载波相位补偿，该载波相位的补偿项为
其中，fk为第k个频带信号的中心频率，k＝1,2…,K，K表示频带信号
个数，τm表示子阵中各基元与该子阵延时参考点的延时差，m＝1,2…M，M表示线阵的基元个数；
[0083] 步骤5)将步骤4)中载波相位补偿后的复信号进行加权求和，生成波束信号；[0084] 步骤6)对步骤5)中生成的波束信号进行随机相位误差补偿，该随机相位误差的补偿项为
其中，fd表示多普勒频移，
fs1为延时
加权求和之前的信号速率，表示四舍五入取整运算，R为实时的横摇值，θ为波束形成的指向角，l0为阵元间距，c为瞬时的声速值；
[0085]
步骤7)将计算得出的连续子阵间的理论相位差对步骤6)中生成的波束信
号进行补偿，将计算得出的子阵间的理论相位差对步骤6)中生成的波束信号进行补偿，并同时补偿多普勒频移产生的相位
其中，τ0＝d0sin(θ+Roll)/c，d0表示两连续子阵
的延时参考点间距离。
[0086] 利用上述多普勒频移校正方法校正后所得到的波束信号，可以通过幅度法和相位法判别得到测深结果。所述的幅度法利用信号的幅度确定回波到达时间，而相位法通过两个子阵之间的相位差确定回波达到时间。当得到的回波到达时间和波束指向角θ即可确定测深结果。
[0087] 基于上述多普勒频移的校正方法，如图1所示，在进行加权求和过程中，如发射信号为简单脉冲信号，则不进行脉冲压缩；如发射信号为线性调频信号，则进行脉冲压缩。[0088] 校正误差项二之后，公式(5)和公式(7)可分别改写为：
[0089] [0090]
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对比公式(19)和公式(20)，进行多普勒相位补偿后的相位差为0。
[0092] 为分析多普勒频移对多波束测深结果的影响并验证本发明的校正方法的正确性，根据海底仿真模型生成带有多普勒频移的海底仿真数据，并利用上述校正方法进行处理。如图4显示发射信号为简单脉冲情况下的相位误差曲线，可以看出当存在多普勒频移时，相位差曲线存在较大偏差。利用本发明的多普勒频移校正方法校正后的相位差拟合曲线与没有多普勒频移的相位差拟合曲线基本吻合。如图5显示了500米水深平底的水深探测结果，从图中可以看出未进行多普勒频移校正的水深处理结果存在一定的偏差，利用本发明的多普勒频移校正方法校正后的水深更接近海底的真实情况。如图6和7分别显示了发射信号为线性调频信号的情况下，利用本发明的方法进行多普勒频移校正前后的相位差曲线图，以及水深测量结果示意图，从图中显示的数据可知，利用本发明的多普勒频移的校正方法可以消除随机相位误差，有效的校正多普勒频移。[0093] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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说 明 书 附 图
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图1
图2
图3
图4
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说 明 书 附 图
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图5
图6
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说 明 书 附 图
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图7
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