專利名稱：基于聲矢量傳感器均勻直線陣的快速寬帶頻域波束形成方法
基于聲矢量傳感器均勻直線陣的快速寬帶頻域波束形成方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于聲納數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，特別涉及基于聲矢量傳感器均勻直線陣的快 速寬帶頻域波束形成方法。
背景技術(shù)：
聲矢量傳感器是一種新型傳感器，它可以空間共點(diǎn)、同步測(cè)量聲場(chǎng)中的聲壓和質(zhì) 點(diǎn)振速的各正交分量，同時(shí)獲取聲場(chǎng)中的標(biāo)量場(chǎng)和矢量場(chǎng)的相關(guān)信息，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的聲壓 水聽(tīng)器。理論分析和試驗(yàn)都表明，遠(yuǎn)場(chǎng)條件下相干源輻射聲場(chǎng)的聲壓和振速是完全相關(guān)的， 且振速具有與頻率無(wú)關(guān)的偶極子自然指向性，而背景噪聲場(chǎng)的聲壓振速則是獨(dú)立的。這是 聲矢量信號(hào)處理的基礎(chǔ)，也體現(xiàn)出了其相較于單一聲壓信號(hào)處理的優(yōu)越性。
從1958年G. L. Boyer成功研制了第一個(gè)聲壓梯度水聽(tīng)器開始，隨后幾十年，振速 傳感器技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，動(dòng)圈式、壓電式和光纖式等多種振速傳感器技術(shù)正在不斷 創(chuàng)新。國(guó)內(nèi)的有關(guān)研究雖然起步稍晚，但也取得了積極的成果，哈爾濱工程大學(xué)、中科院聲 學(xué)所及715所自上個(gè)世紀(jì)八十年代初開始了聲矢量傳感器的研制工作并成功研制了二維 同振式聲矢量傳感器和三維同振式聲矢量傳感器。這些都為聲矢量傳感器均勻直線陣的工 程化應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的工藝基礎(chǔ)。
聲矢量傳感器陣列信號(hào)處理現(xiàn)在正是水聲領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一。1999年， Hawkes等人已經(jīng)指出任意布局的陣列，即使是最簡(jiǎn)單的線陣，也可以無(wú)模糊的確定單 目標(biāo)的方位角禾口俯仰角；文獻(xiàn)"M. Hawkes and A. Nehorai, Sueface-mountedacoustic vector-sensor array processing, in Proc. IEEE Intl Conf. On Acoust.，Speech, andSig. Proc. (ICASSP96)，1996(5) :3710_3713P”提到了聲矢量傳感器陣列在船殼聲納中 成功應(yīng)用，船體耐壓殼可近似成軟邊界，此處聲壓接近于零，振速卻最大，因而以聲矢量傳 感器均勻直線陣取代傳統(tǒng)的聲壓水聽(tīng)器均勻直線陣可以獲得最佳的檢測(cè)性能，克服檢測(cè)目 標(biāo)低頻線譜中存在的嚴(yán)重問(wèn)題；孫貴青在其論文“聲矢量傳感器均勻直線陣的左右舷分辨” 對(duì)聲矢量傳感器均勻直線陣的左右舷分辨的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述，指出聲矢量傳感器均勻 直線陣具有很好的左右舷分辨性能，其除了不可避免地與信噪比有關(guān)之外，還主要取決于 與頻率無(wú)關(guān)的矢量傳感器陣元指向性。
而基于聲矢量傳感器均勻直線陣的最基本的處理方法是常規(guī)波束形成(CBF)，即 通過(guò)線陣對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行空間濾波來(lái)獲取目標(biāo)方位功率輸出。尤其是陣元數(shù)較多時(shí)， 相比于MVDR、子空間等方法，CBF仍是最便于在工程上實(shí)現(xiàn)的信號(hào)處理方法。但聲矢量傳感 器均勻直線陣與傳統(tǒng)聲壓水聽(tīng)器均勻直線陣相比，因?yàn)槎喑隽苏袼俑鞣至啃盘?hào)的處理，其 處理的維數(shù)也較后者大大增加，處理所帶來(lái)的時(shí)間花銷也相應(yīng)增加，特別是對(duì)于寬帶信號(hào) 的頻域處理。因而如何有效地提高聲矢量傳感器均勻直線陣寬帶頻域波束形成的處理速度 成為關(guān)鍵。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供基于聲矢量傳感器均勻直線陣的快速寬帶頻域波束形成 方法，以有效地提高聲矢量傳感器均勻直線陣寬帶頻域波束形成的處理速度，實(shí)現(xiàn)運(yùn)算速 度的大大提高，便于實(shí)時(shí)處理。
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出基于聲矢量傳感器均勻直線陣的快速寬帶頻 域波束形成方法。該方法步驟包括
步驟1)用聲矢量傳感器均勻直線陣接收空間時(shí)域信號(hào)，得到M個(gè)陣元的時(shí)域信 號(hào)，其中，M為不小于2的整數(shù)，時(shí)域信號(hào)包括時(shí)域聲壓信號(hào)和時(shí)域振速信號(hào)，對(duì)需要處理的 快拍數(shù)據(jù)做傅立葉變換得到相應(yīng)的頻域信號(hào)；
步驟2)對(duì)需要處理的頻帶范圍[fmin，fmax]，將M個(gè)陣元的頻域信號(hào)在空間域補(bǔ) 零，然后在空間域上做FFT變換，最后將變換結(jié)果的零頻分量移至譜中心，其中，頻帶范圍 [ffflin, fmax]根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選取，只需滿足fmin > 0，fmax不大于數(shù)據(jù)采樣率的一半即可；
步驟3)在需要處理的帶寬內(nèi)的每一個(gè)頻點(diǎn)上依據(jù)對(duì)應(yīng)于聲壓振速頻域信號(hào)的 頻率-波束網(wǎng)格對(duì)波束和空域傅立葉結(jié)果進(jìn)行對(duì)齊校正和相應(yīng)線性相加，得到不同頻點(diǎn)的 波束形成結(jié)果；
步驟4)合成不同頻率的波束形成結(jié)果，得到線陣在空間上的功率輸出；
權(quán)利要求
1.基于聲矢量傳感器均勻直線陣的快速寬帶頻域波束形成方法，該方法步驟包括 步驟1)用聲矢量傳感器均勻直線陣接收空間時(shí)域信號(hào)，得到M個(gè)陣元的時(shí)域信號(hào)，其中，M為不小于2的整數(shù)，時(shí)域信號(hào)包括時(shí)域聲壓信號(hào)和時(shí)域振速信號(hào)，對(duì)需要處理的快拍 數(shù)據(jù)做傅立葉變換得到相應(yīng)的頻域信號(hào)；步驟2)對(duì)需要處理的頻帶范圍[fmin，fmax]，將M個(gè)陣元的頻域信號(hào)在空間域補(bǔ)零，然 后在空間域上做FFT變換，最后將變換結(jié)果的零頻分量移至譜中心，其中，頻帶范圍[fmin， fmax]根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選取，只需滿足fmin > 0，fmax不大于數(shù)據(jù)采樣率的一半即可；步驟3)在需要處理的帶寬內(nèi)的每一個(gè)頻點(diǎn)上依據(jù)對(duì)應(yīng)于聲壓振速頻域信號(hào)的頻 率-波束網(wǎng)格對(duì)波束和空域傅立葉結(jié)果進(jìn)行對(duì)齊校正和相應(yīng)線性相加，得到不同頻點(diǎn)的波 束形成結(jié)果；步驟4)合成不同頻率的波束形成結(jié)果，得到均勻直線陣在空間上的功率輸出；/ _ max2p^s)= Σ \BAfiM(1)。/=f _ min
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速寬帶頻域波束形成方法，其特征在于，所述的步驟2)中 空間域補(bǔ)零方法采用原數(shù)據(jù)后直接補(bǔ)零方法或在原數(shù)據(jù)中插值補(bǔ)零方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速寬帶頻域波束形成方法，其特征在于，所述的步驟4)具 體方法是在步驟幻中得到的不同頻點(diǎn)的波束形成結(jié)果即波束輸出矩陣，將波束輸出矩陣中的 每一行與波束輸出矩陣共軛轉(zhuǎn)置相乘，即為相應(yīng)搜索方位上的輸出功率，最后得到線陣在 空間上的功率輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速寬帶頻域波束形成方法，其特征在于，所述的聲矢量傳 感器均勻直線陣由多個(gè)二維矢量傳感器組成時(shí)，所述的聲矢量傳感器均勻直線陣按式(2) 對(duì)陣元聲壓信號(hào)單頻響應(yīng)做FFT變換；
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的快速寬帶頻域波束形成方法，其特征在于，所述的聲矢量 傳感器均勻直線陣只要陣元數(shù)目M、陣元間距d和處理頻帶[fmin，fmax]已知，則根據(jù)式(6) 預(yù)先計(jì)算出頻率-波束網(wǎng)格，計(jì)算方法如式(J)所示,,r , , η Ji ■ M · /-COS^i. kiftA) = floor(^-—)(7)其中，floor表示取整運(yùn)算。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速寬帶頻域波束形成方法，其特征在于，所述的聲矢量傳 感器均勻直線陣由多個(gè)三維矢量傳感器組成時(shí)，所述的聲矢量傳感器均勻直線陣按式(8) 所示對(duì)陣元聲壓信號(hào)單頻響應(yīng)做FFT運(yùn)算；μ^π^P,β(fiΛ) = YjXm,,(/；)*exp(-7 · —-^-m)m=\(8)所述的聲矢量傳感器均勻直線陣按式(9)、式(10)和式(11)對(duì)陣元振速各分量信號(hào)單 頻相應(yīng)運(yùn)算；1^VxtO (fi, k) ~^Vy1O (fi,眾)= ^Vz,θ (fi，眾)=Mm~\ ‘MMM 2πqM-J--T7T7-k-m).OT=IMMM 2πΣ (乂) * exp(-y · —cos 么 sin^ sin 也 sin θ cos θ(9) (10) (11)然后，按式(1 進(jìn)行相位補(bǔ)償和疊加運(yùn)算得到不同方位的波束輸出MW-, , . , ^ md cos0v sin Bf,e α = ΣxW (f.) * exp(-7 . Irrfl--^——)w=lMΛ ^ md cos φ, sin θ、 , . Λ + Σ Χ吵(/ ) * exp(-y · 2^--^——)· cos φΞ sin θm=\ M(12), , Λ . ^nd cos φ, sin ^ ^ · , . Λ Σ 丨辦(Χ ) * exp(-7 · Infi--^——).sin φ5 sin θW=IM Λ ^ md cos φ, sin θ ^ Λ +Σ 夂,ζ ) * exp(-7 . ITrfi--&——)· cos θm=\其中，式(8)、式(9)、式(10)、式(11)和式(12)中波束方位(^dPFFT變換域k存在 式(13)對(duì)應(yīng)關(guān)系ft - M · d. cos φ5 sin θk =(13)其中，k是FFT的運(yùn)算序號(hào)；(^是掃描方位角，
，θ是仰視角，θ e [-90° ，90° ]。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的快速寬帶頻域波束形成方法，其特征在于，所述的聲矢量 傳感器均勻直線陣只要陣元數(shù)目M、陣元間距d和處理頻帶[fmin，fmax]已知，則根據(jù)式(13) 預(yù)先計(jì)算出來(lái)頻率-波束網(wǎng)格，計(jì)算方法如式(14)所示 廠-M-J-cos么 sin汐、,,.Nk (ft Js,θ) = floor^-^——)(⑷c其中，floor表示取整運(yùn)算。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于聲矢量傳感器均勻直線陣的快速寬帶頻域波束形成方法，該方法步驟包括首先，用聲矢量傳感器均勻直線陣接收空間信號(hào)，得到所有陣元的時(shí)域信號(hào)，時(shí)域信號(hào)包括時(shí)域聲壓信號(hào)和時(shí)域振速信號(hào)，對(duì)需要處理的快拍數(shù)據(jù)做傅立葉變換，得到相應(yīng)的頻域信號(hào)。其次，針對(duì)需要處理的頻帶范圍，將所有陣元的聲壓、振速頻域信號(hào)在空間域補(bǔ)零，再對(duì)其在空間域上做FFT變換，然后將變換結(jié)果的零頻分量移至譜中心。接著在需要處理的帶寬內(nèi)的每一個(gè)頻點(diǎn)上依據(jù)對(duì)應(yīng)于聲壓振速頻域信號(hào)的頻率-波束網(wǎng)格對(duì)波束和空域傅立葉結(jié)果進(jìn)行對(duì)齊校正和相應(yīng)線性相加，得到不同頻點(diǎn)的波束形成結(jié)果。最后，合成不同頻率的波束形成結(jié)果，得到線陣在空間上的功率輸出。
文檔編號(hào)G01S7/52GK102043145SQ201010534439
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月3日
發(fā)明者孫貴青, 曾雄飛, 李崢, 黃海寧 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所