一種基于聲壓、振速互譜法的矢量陣左右舷分辨方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于水聲測(cè)向研究領(lǐng)域，具體涉及一種基于聲壓、振速互譜法的矢量陣左右舷分辨方法。本發(fā)明包括：收到的聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)后，作頻域?qū)拵СＲ?guī)波束形成處理，得到原始空間譜矩陣；其中，空間譜矩陣是指輸出的空間譜類(lèi)型的矩陣；對(duì)步驟(1)得到的原始空間譜矩陣進(jìn)行雙向一階遞歸濾波處理，得到平滑后的空間譜；根據(jù)得到的平滑空間譜，在平滑空間譜的基礎(chǔ)上提高DT個(gè)分貝得到譜峰篩選的門(mén)限。該方法可以對(duì)空間譜進(jìn)行峰選，對(duì)譜峰范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行方位估計(jì)，通過(guò)比較估計(jì)結(jié)果與譜峰位置對(duì)偽峰測(cè)進(jìn)行消減抑制，進(jìn)而克服低信噪比條件下左右舷模糊的問(wèn)題，提高同性噪聲背景中弱目標(biāo)檢測(cè)能力。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種基于聲壓、振速互譜法的矢量陣左右軀分辨方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于水聲測(cè)向研究領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于聲壓、振速互譜法的矢量陣左 右艇分辨方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在水聲測(cè)向研究領(lǐng)域，拖曳線列陣的測(cè)向根據(jù)是不同方位聲源信號(hào)到達(dá)線列陣中 不同陣元的時(shí)延差不同。然而組成拖曳線列陣的水聽(tīng)器通常是無(wú)指向性的，如圖1所示，圖 中1表示圓錐面，2表示拖曳線列陣的水聽(tīng)器，在轉(zhuǎn)角相同的圓錐面上入射的信號(hào)到達(dá)陣列 各個(gè)陣元的響應(yīng)是完全一致的，即相同圓錐面上入射的信號(hào)在各個(gè)陣元上產(chǎn)生的時(shí)延差是 相同的，因此無(wú)法分辨來(lái)自同一圓錐面上的目標(biāo)，存在目標(biāo)模糊的問(wèn)題。在一般的情況下遠(yuǎn) 場(chǎng)測(cè)向時(shí)，W線列陣為對(duì)稱(chēng)軸，來(lái)自陣列一側(cè)的目標(biāo)會(huì)在對(duì)稱(chēng)軸兩側(cè)的響應(yīng)是完全相同的， 因此同一信號(hào)在水平面上的兩個(gè)方位處會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)相同方位角，一個(gè)是信號(hào)的真實(shí)方位， 另外一個(gè)由于標(biāo)量陣的左右艇模糊性產(chǎn)生的方位角稱(chēng)之為映像方位，真實(shí)方位與映像方位 關(guān)于陣列對(duì)稱(chēng)。分清信號(hào)究竟是來(lái)自左艇還是右艇，即通常所說(shuō)的拖線陣左右艇分辨問(wèn)題。
[0003] 解決左右艇分辨問(wèn)題常用的方法總體上來(lái)說(shuō)共有兩大類(lèi)，一類(lèi)是利用本艦大的自 身機(jī)動(dòng)，根據(jù)聲響的時(shí)間一方位歷程圖中目標(biāo)方位的變化或根據(jù)復(fù)雜的跟蹤運(yùn)算法則，判 斷出目標(biāo)所處的左右艇。另一類(lèi)可W概括為多線陣方法，利用雙線陣或Ξ元陣在拖曳線列 陣的接收端解決左右艇模糊問(wèn)題。運(yùn)類(lèi)方法主要是改變拖曳線列陣聲響接收基陣的陣元結(jié) 構(gòu)，國(guó)外現(xiàn)役裝備中采用的方法主要有Ξ種:Ξ元水聽(tīng)器組、雙線陣方式W及矢量水聽(tīng)器。
[0004] 本文針對(duì)矢量水聽(tīng)器運(yùn)一方向提出新的解決方案。矢量水聽(tīng)器能夠同時(shí)獲取聲場(chǎng) 的聲壓和振速信號(hào)，擁有比傳統(tǒng)聲壓水聽(tīng)器更為豐富的信息，單矢量水聽(tīng)器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目 標(biāo)的檢測(cè)和360度無(wú)模糊測(cè)向，用于對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)和方位估計(jì)。目前常用的幾種單矢量水聽(tīng) 器的方位估計(jì)方法有平均聲強(qiáng)器法，聲壓、振速互譜法，互譜直方圖統(tǒng)計(jì)法，L0FAR線譜方位 估計(jì)法W及DEMO的普方位估計(jì)法等。基于聲壓、振速互譜法改進(jìn)的互譜直方圖統(tǒng)計(jì)方法一種 優(yōu)良的寬帶多目標(biāo)信號(hào)方位估計(jì)方法。盡管單矢量水聽(tīng)器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)和方位估 計(jì)，但是隨著人們對(duì)矢量水聽(tīng)器研究的深入與應(yīng)用的廣泛，也發(fā)現(xiàn)了矢量水聽(tīng)器的一些不 足與缺點(diǎn)，比如單只系統(tǒng)的可靠性較差，并且對(duì)于己知的空間偶極子指向性，其定向精度不 高，空間分辨力不夠等。因此，利用矢量陣列對(duì)低信噪比目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)是目前的發(fā)展趨勢(shì)。 利用陣列波束形成技術(shù)可W獲得陣處理增益，提高輸出信噪比。而普通聲壓拖曳陣在對(duì)目 標(biāo)進(jìn)行測(cè)向時(shí)存在左右艇模糊問(wèn)題，即無(wú)法分辨目標(biāo)來(lái)自于陣的左側(cè)還是右側(cè)，但是矢量 拖曳陣具有分別目標(biāo)左右艇的能力，且與同等陣長(zhǎng)及陣元數(shù)的聲壓陣相比，矢量陣具有更 高的信號(hào)處理增益，因而具有更優(yōu)的抗干擾性能。
[0005] 水下聲信號(hào)往往是寬帶的，對(duì)于寬帶信號(hào)目前的矢量拖曳陣左右艇分辨方法有： 時(shí)域的平均聲強(qiáng)器法、頻域的互譜直方圖法W及直接矢量波束形成法。平均聲強(qiáng)器法無(wú)法 進(jìn)行多目標(biāo)分辨，僅能給出多目標(biāo)的合成方位，若平均聲強(qiáng)器與互譜直方圖連用則可分辨 出不同頻率特性的目標(biāo)方位，但是對(duì)于相同頻率的多目標(biāo)仍然無(wú)法分辨。直接矢量波束形 成的缺點(diǎn)是其左右艇分辨能力在各個(gè)角度是不均勻的，目標(biāo)位于陣的法線方向時(shí)分辨效果 好，越接近陣端向時(shí)分辨能力越差。因此當(dāng)存在兩個(gè)或多個(gè)目標(biāo)相近時(shí)不易區(qū)分目標(biāo)，W及 強(qiáng)干擾存在時(shí)常常會(huì)掩蓋弱目標(biāo)。
[0006] 運(yùn)里提出了一種基于陣列互譜直方圖統(tǒng)計(jì)法的矢量陣目標(biāo)左右艇分辨方法，可W 有效的對(duì)同頻或非同頻多目標(biāo)進(jìn)行分辨，與傳統(tǒng)方法相比它具有全向360度均勻的左右艇 分辯能力，并且可W有效地提高目標(biāo)信噪比，增強(qiáng)目標(biāo)測(cè)向的可靠程度的優(yōu)點(diǎn)。因此能夠達(dá) 到更好的多目標(biāo)左右艇分辨效果。
[0007] 經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，有下列文獻(xiàn)分別對(duì)矢量陣的左右艇分辨問(wèn)題、單矢量互譜直 方圖統(tǒng)計(jì)方法W及結(jié)合陣列的方位估計(jì)。
[000引進(jìn)行了研究。
[0009] [1]矢量陣的左右艇分辨方法文章，如:孫國(guó)倉(cāng)，淺海矢量聲場(chǎng)及其信號(hào)處理.哈爾 濱工程大學(xué)博±學(xué)位論文。2008.10.(W下簡(jiǎn)稱(chēng)文獻(xiàn)1)
[0010] [2]馬巍，聲矢量傳感器穩(wěn)健空間譜估計(jì)技術(shù)研究.哈爾濱工程大學(xué)博±學(xué)位論 文。2013.5( W下簡(jiǎn)稱(chēng)文獻(xiàn)2)
[0011] [3]互譜直方圖統(tǒng)計(jì)法方位估計(jì)的文章，如：陳川.低頻矢量水聽(tīng)器目標(biāo)絕對(duì)方位 估計(jì)海上試驗(yàn)研究.傳感器與微系統(tǒng).2012，31 (7): 58-60頁(yè).（W下簡(jiǎn)稱(chēng)文獻(xiàn)3)
[0012] [4]惠俊英，惠娟著.矢量聲信號(hào)處理基礎(chǔ).國(guó)防工業(yè)出版社.2009.4.(?下簡(jiǎn)稱(chēng)文 獻(xiàn)4)
[OOU] [5]、孫國(guó)倉(cāng)，惠俊英，郭龍祥，蔡平.陣列聲強(qiáng)器及其應(yīng)用.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).2008,20 (6) :1551-1558頁(yè).（W下簡(jiǎn)稱(chēng)文獻(xiàn)5)
[0014] [6]、孫國(guó)倉(cāng)，惠俊英.基于陣列聲強(qiáng)器的稀疏聲矢量傳感器陣方位估計(jì).2006北京 地區(qū)高校研究生學(xué)術(shù)交流會(huì)一一通信與信息技術(shù)會(huì)議論文集(上）.2006.(?下簡(jiǎn)稱(chēng)文獻(xiàn)6)
[0015] 文獻(xiàn)1~2給出了常規(guī)矢量陣的左右艇分辨方法。首先標(biāo)量陣常規(guī)波束形成是將各 陣元接收到的聲壓信號(hào)作為一個(gè)整體，通過(guò)計(jì)算其協(xié)方差矩陣得到全方位的能量譜輸出， 由輸出能量大小確定目標(biāo)的方位。矢量陣的左右艇分辨方法即在標(biāo)量陣常規(guī)波束形成的基 礎(chǔ)上將振速通道的信號(hào)也加入到協(xié)方差矩陣中進(jìn)行計(jì)算，其余步驟與標(biāo)量波束形成相同。 因此矢量陣的協(xié)方差矩陣的計(jì)算量遠(yuǎn)大于標(biāo)量陣的計(jì)算量。提出了一種基于陣列互譜直方 圖統(tǒng)計(jì)法的矢量陣目標(biāo)左右艇分辨方法與之相比可W大大降低計(jì)算量，為實(shí)時(shí)處理提供便 利條件的同時(shí)還具有全向360度均勻的左右艇分辯能力，對(duì)相近目標(biāo)的區(qū)分能力也更好。
[0016] 文獻(xiàn)3給出了一種單矢量水聽(tīng)器的互譜直方圖方位估計(jì)方法，該方法首先將聲壓、 X軸振速通道和y軸振速通道的時(shí)域信號(hào)做傅里葉變換得到各自頻譜再與聲壓信號(hào)的頻譜 做互譜，此時(shí)變?yōu)轭l域處理，分別在各個(gè)不同的頻帶內(nèi)計(jì)算X軸方向與y軸方向的聲能流即 可估計(jì)目標(biāo)相對(duì)于陣列坐標(biāo)系的水平方位角，對(duì)各個(gè)頻帶的方位進(jìn)行數(shù)學(xué)上的直方圖統(tǒng) 計(jì)，直方圖累加后的最大值對(duì)應(yīng)的方位即為目標(biāo)的水平方位角。然而運(yùn)種矢量方位估計(jì)方 法在低信噪比條件下方位估計(jì)十分不準(zhǔn)確。為了克服運(yùn)種方法的缺點(diǎn)，本文將標(biāo)量陣的波 束形成與互譜直方圖法相結(jié)合，提高了處理信噪比用于判別目標(biāo)的真實(shí)方位。
[0017] 文獻(xiàn)4中分別介紹了聲壓、振速互譜直方圖方位估計(jì)方法和矢量陣常規(guī)波束形成 方法。并給出了一種互譜直方圖方位估計(jì)和矢量陣常規(guī)波束形成相結(jié)合使用的方法。利用 矢量陣信號(hào)進(jìn)行多波束掃描，再對(duì)每個(gè)波束輸出進(jìn)行互譜直方圖統(tǒng)計(jì)W實(shí)現(xiàn)方位估計(jì)的目 的。其缺點(diǎn)是當(dāng)波束沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)信號(hào)源時(shí)，波束輸出的信噪比較低，從而直方圖估計(jì)結(jié)果不穩(wěn) 定。運(yùn)里所提出的新方法，基于聲壓、振速互譜法改進(jìn)的互譜直方圖統(tǒng)計(jì)方法，是在譜峰篩 選的基礎(chǔ)上，對(duì)譜峰范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行方位估計(jì)，然后進(jìn)行波束形成提高信噪比，避免了由 低信噪比造成的誤差，再根據(jù)估計(jì)結(jié)果與譜峰位置進(jìn)行比較W達(dá)到左右艇分辨的目的。與 書(shū)中所述方法在技術(shù)手段W及針對(duì)要解決的問(wèn)題上有本質(zhì)區(qū)別。
[0018] 文獻(xiàn)5~6給出了一類(lèi)矢量方位估計(jì)與陣列波束形成相結(jié)合的使用方法，稱(chēng)作陣列 聲強(qiáng)器法，是將平均聲強(qiáng)器與陣列相結(jié)合使用的方法，運(yùn)類(lèi)方法結(jié)合波束形成和陣列聲強(qiáng) 器獲得方位信息W消除稀疏陣的柵瓣模糊，主要用于抗陣稀疏引起的柵瓣影響。運(yùn)里提出 的方法重點(diǎn)在于解決矢量陣的左右艇分辨問(wèn)題，借鑒了文獻(xiàn)將矢量方位估計(jì)方法與陣列相 結(jié)合的思想，但與文獻(xiàn)中的方法相比從技術(shù)手段本身W及針對(duì)要解決的問(wèn)題上都有本質(zhì)區(qū) 別。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 本發(fā)明的目的是提出一種解決矢量陣的左右艇分辨準(zhǔn)確度低W及對(duì)360度范圍內(nèi) 目標(biāo)左右艇分辨能力不均勻的問(wèn)題的基于聲壓、振速互譜法的矢量陣左右艇分辨方法。
[0020] 本發(fā)明的目的是運(yùn)樣實(shí)現(xiàn)的：
[0021] 本發(fā)明包括如下步驟：
[0022] (1)對(duì)矢量陣列接收到的聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)后，作頻域?qū)拵СＲ?guī)波束形成 處理，得到原始空間譜矩陣PDut(e);其中，空間譜矩陣是指輸出的空間譜類(lèi)型的矩陣；
[0023] (2)對(duì)步驟(1)得到的原始空間譜矩陣PDut(0)進(jìn)行雙向一階遞歸濾波處理，得到平 滑后的空間譜Pa(e);
[0024] (3)根據(jù)步驟(2)得到的平滑空間譜Ρα(θ)，在平滑空間譜Ρα(θ)的基礎(chǔ)上提高化個(gè) 分貝得到譜峰篩選的口限Pdt(9);掃描方位角度9 = [0°，1°，2°，-，，360°]，將原始空間譜矩 陣PDut(g)中所有高于Π 限Ροτ(θ)的方位角度Θ篩選出來(lái)，并分別記為目標(biāo)信號(hào)方位角θι θ2 …0k;k表示測(cè)量空間內(nèi)的目標(biāo)方位角度的個(gè)數(shù)；
[0025] (4)根據(jù)步驟(3)篩選出的目標(biāo)信號(hào)方位角θι θ2…0k，在每個(gè)目標(biāo)信號(hào)方位上對(duì) 聲壓、振速的頻譜信號(hào)進(jìn)行波束形成；
[0026] (5)根據(jù)步驟(4)波束形成結(jié)果，將步驟（1)中獲得的聲壓信號(hào)分別與X軸振速信 號(hào)、y軸振速信號(hào)做互譜運(yùn)算、方位估計(jì)W及直方圖統(tǒng)計(jì)，得到方位估計(jì)結(jié)果 A. A. Λ 目、h…h(huán).，
[0027] (6)根據(jù)步驟(5)得到的估計(jì)結(jié)果?? ft ... 6進(jìn)行目標(biāo)的左右艇判決，即判斷估 計(jì)值與掃描方位差的絕對(duì)值4-磚是否小于等于估計(jì)值與映像方位差的絕對(duì)值
[0028] 若是，則保留該目標(biāo)信號(hào)方位；
[0029] 否則，認(rèn)為是目標(biāo)的映像方位的偽峰06,將其剔除；
[0030] (7)利用步驟(6)保留的目標(biāo)信號(hào)方位的結(jié)果，對(duì)于確定為映像方位的偽峰06,帶 入步驟（2)中平滑后的空間譜Ρα(θ)中得到Pa(0e)，并利用Ρα(θ6)代替原始空間譜矩陣Pout (9e)中輸出功率；由此得到無(wú)模糊的空間譜矩陣Pnut(0)'。
[0031] 所述步驟（1)中對(duì)多元陣列接收到的聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)后，作頻域?qū)拵С?規(guī)波束形成處理，得到原始空間譜矩陣P?t( Θ )的過(guò)程為：
[0032] (1.1)對(duì)接收到的聲壓、振速時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)；
[0033] (1.2)對(duì)頻域信號(hào)工作頻段帶寬為B范圍內(nèi)各個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)分別進(jìn)行常規(guī)波束形成 處理，得到各頻點(diǎn)的空間譜，并輸出;并將空間譜表示為P(fi，e)，且
[0034] P(fi，目）=a(fi，0)H R(fi)a(fi，0);式中，
[0(X3日]B為信號(hào)帶寬，B = fh-fi，fi為工作頻段下限頻率，fh為工作頻段上限頻率，fi為快速 傅里葉變換對(duì)于信號(hào)頻帶納的第i個(gè)頻率，i = l，2-L，L為信號(hào)帶寬納快速傅里葉變換對(duì) 應(yīng)的子帶個(gè)數(shù)，L = B/ Δ f，B為信號(hào)帶寬，Δ f為FFT計(jì)算時(shí)的頻率分辨率，f 1《f i《fh，a(f i， Θ)為頻率fi對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向矢量；
[0036] Η表示求共輛轉(zhuǎn)置；
[0037] Θ為0~360。的方位角度；
[003引 R(fi)表示頻率fi的互譜密度矩陣，且R(fi)=E(X(f0X(fi)H);
[0039] (1.3)把各頻點(diǎn)的空間譜P(fi，0)累加，得到常規(guī)寬帶波束輸出空間譜，即原始空 間譜輸出矩陣Pout,其中：
[0040] 所述步驟(2)中對(duì)得到的原始空間譜矩陣Pnut(0)進(jìn)行雙向一階遞歸濾波處理，得 到平滑后的空間譜Ρα( Θ )的過(guò)程為：
[0041] (2.1)采用雙向一階遞歸濾波器對(duì)原始空間譜矩陣PDut(0)進(jìn)行平滑濾波處理；同 時(shí)提取原始空間譜矩陣P?t( Θ)的譜峰；
[0042] (2.2)將原始空間譜矩陣?。。*(0)進(jìn)行雙向〇濾波得到?。(0)，將濾波系數(shù)調(diào)小。
[0043] 所述步驟(4)對(duì)篩選出的目標(biāo)信號(hào)方位角θι θ2…0k，在每個(gè)目標(biāo)信號(hào)方位上對(duì) 聲壓、振速的頻譜信號(hào)進(jìn)行波束形成；W及步驟(5)所述根據(jù)步驟(4)波束形成結(jié)果，將步驟 (1)輸出的聲壓信號(hào)分別與X軸振速信號(hào)、y軸振速信號(hào)做互譜運(yùn)算、方位估計(jì)W及直方圖統(tǒng) 計(jì)方位得到估計(jì)結(jié)果為4 ... 4的過(guò)程為，
[0044] 1)利用互譜直方圖方法在各個(gè)掃描點(diǎn)處進(jìn)行矢量方位估計(jì)，Κρ(ω)表示由聲壓 信號(hào)經(jīng)傅里葉變換輸出的聲壓譜，Wvx( ω )表示X軸振速信號(hào)振速譜，Wvy( ω )表示y軸振速 信號(hào)振速譜;wp(0k，ω )為對(duì)應(yīng)0k方向的聲壓信號(hào)的波束形成的加權(quán)向量，則在譜峰方位波 束形成的輸出寫(xiě)為：
[0048] 2)在譜峰方位波束形成的輸出包含0k方向來(lái)波的貢獻(xiàn)，和波束寬度范圍內(nèi)其它方 向來(lái)波的貢獻(xiàn);若波束形成器為理想空域?yàn)V波器，即只有0k方向的來(lái)波通過(guò)，其余方向的來(lái) 波被完全濾掉，則經(jīng)過(guò)方向波束形成空域?yàn)V波后的陣列聲強(qiáng)為：
[0050]式中，V:w, (6，的W及ν'α。拘，的中*表示共輛運(yùn)算；
[0051 ]則頻域復(fù)聲強(qiáng)器方位估計(jì)Θ的公式為：
[0化2]
[0053] 3)對(duì)步驟四得到的波束形成結(jié)果，即集合0誠(chéng)，《)，做直方圖估計(jì)，得：
[0化4]
[0化日]則為陣列互譜直方圖法得到的估計(jì)方位值;其中，F(xiàn)(e)為e的概率密度函數(shù)，Q為 直方圖的分割總數(shù)，θι為每個(gè)分割區(qū)的中屯、方位值；
[0056] 4)在每個(gè)譜峰方位角θι 02…0k都進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，得到相應(yīng)估計(jì)方位；
[0057] 為 4 …6^,。
[005引所述步驟(7)利用保留的目標(biāo)信號(hào)方位的結(jié)果，對(duì)于確定為映像方位的偽峰06,帶 入步驟（2)中平滑后的空間譜Ρα(θ)中得到Pa(0e)，并利用Ρα(θ6)代替原始空間譜矩陣Pout (9e)中輸出功率；由此得到無(wú)模糊的空間譜矩陣Pnut(0)'的過(guò)程是：
[0059] 根據(jù)步驟(6)中方位的左右艇判決結(jié)果，在原始空間譜矩陣Pnut(0)上對(duì)判決出的 映像方位進(jìn)行抑制，具體為：利用步驟（2)中雙向一階遞歸濾波器得到平滑后的空間譜Ρα (9)，在原始空間譜矩陣P〇ut(0)中映像方位的功率譜替換為平滑后的空間譜Ρα(θ)中對(duì)應(yīng)方 位的功率譜，實(shí)現(xiàn)對(duì)映像方位的抑制，得到左右艇無(wú)模糊的空間譜輸出矩陣PDUt(0) '。
[0060] 所述步驟(1)中對(duì)多元陣列為Μ元陣元的矢量陣列，其在t時(shí)刻的陳列輸出表示為： [0061 ] X(t) = [xi(t) ,X2(t),,XM(t) ]τ
[0062] =A(白）S(t)+N(t)
[00創(chuàng)其中，S(t)表示源信號(hào)矢量，54) = [31(0,32(*)^。，3加）^^表示測(cè)量空間內(nèi) 的目標(biāo)個(gè)數(shù)；
[0064] N(t)表示陣列接收到的噪聲矢量，N(t) = [ni(t)，ri2(t)，···，riM(t)]T;
[00化]Α(θ)表示陣列的信號(hào)方向矩陣
[0066] a(0k)表示陣列波束形成導(dǎo)向矢量
[0067] 當(dāng)巧慢空間內(nèi)的目標(biāo)個(gè)數(shù)為1，即k = l時(shí)，陳列輸出簡(jiǎn)化為：
[006引 X(t) = [xi(t) ,X2(t),,XM(t) ]T=a(目s)S(t)+N(t)。
[0069] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0070] 本發(fā)明是在矢量陣信號(hào)處理中，陣列互譜直方圖方法通常直接對(duì)聲壓、振速信號(hào) 做互譜進(jìn)行方位估計(jì)?；诼晧骸⒄袼倩プV法改進(jìn)的互譜直方圖方法首先在譜峰方位進(jìn)行 波束形成，再進(jìn)行互譜直方圖估計(jì)信號(hào)方位，當(dāng)掃描波束未對(duì)準(zhǔn)信號(hào)源時(shí)，波束內(nèi)的信號(hào)信 噪比較低，互譜直方圖法的估計(jì)結(jié)果峰值不明顯，無(wú)法準(zhǔn)確確定信號(hào)的真實(shí)方位。為了降低 由于低信噪比對(duì)直方圖估計(jì)帶來(lái)的影響，本發(fā)明給出了一種基于聲壓、振速互譜法改進(jìn)的 互譜直方圖方法，并將其應(yīng)用于左右艇分辨中。該方法可W對(duì)空間譜進(jìn)行峰選，對(duì)譜峰范圍 內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行方位估計(jì)，通過(guò)比較估計(jì)結(jié)果與譜峰位置對(duì)偽峰測(cè)進(jìn)行消減抑制，進(jìn)而克服 低信噪比條件下左右艇模糊的問(wèn)題，提高同性噪聲背景中弱目標(biāo)檢測(cè)能力；
[0071] (1)文獻(xiàn)4給出的矢量陣常規(guī)波束形成方法直接應(yīng)用于目標(biāo)定位和追蹤。當(dāng)預(yù)成的 波束沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)信號(hào)源時(shí)，互譜直方圖法估計(jì)的結(jié)果很不穩(wěn)定，誤差較大，不適用于信噪比較 低的環(huán)境下；
[0072] (2)文獻(xiàn)5、6中傳統(tǒng)的陣列聲強(qiáng)器抑制柵瓣模糊的方法更加適用于線譜單目標(biāo)條 件下，對(duì)寬帶信號(hào)W及多目標(biāo)情況來(lái)說(shuō)，檢測(cè)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如互譜直方圖法；
[0073] (3)與矢量陣常規(guī)波束形成方法相比，新方法增加了譜峰篩選的過(guò)程。因此新方法 不僅大大減小了實(shí)時(shí)處理的計(jì)算量還有效地提高了方位估計(jì)的準(zhǔn)確程度，因此本發(fā)明方法 具有更好的實(shí)用性；
[0074] (4)與單矢量左右艇分辨方法相比，本發(fā)明方法具有更大的物理孔徑，因此具有較 高的物理分辨率。
【附圖說(shuō)明】
[0075] 圖1為本發(fā)明【背景技術(shù)】設(shè)及的線列陣遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)向左右艇模糊示意圖；
[0076] 圖2為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】一中陣列信號(hào)處理幾何模型圖；
[0077] 圖3為本發(fā)明實(shí)施方式一到五的整體實(shí)現(xiàn)流程框圖；
[0078] 圖4為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】一中聲壓信號(hào)常規(guī)波束形成(CBF)流程圖；
[0079] 圖5為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】一中互譜直方圖處理方法流程圖；
[0080] 圖6為本發(fā)明仿真實(shí)驗(yàn)中聲壓信號(hào)常規(guī)波束形成(CBF)輸出空間譜矩陣PDut(0);
[0081] 圖7為本發(fā)明仿真實(shí)驗(yàn)中聲壓信號(hào)常規(guī)波束形成輸出空間譜矩陣PDut(0)的一個(gè)時(shí) 間切片；
[0082] 圖8為本發(fā)明仿真實(shí)驗(yàn)中雙向α濾波前后空間譜矩陣P〇ut(0)與Ρα(θ)在同一時(shí)刻的 時(shí)間切片；
[0083] 圖9為本發(fā)明仿真實(shí)驗(yàn)中左右艇分辨處理后輸出的無(wú)模糊空間譜矩陣Pnut(0) ' ；
[0084] 圖10為本發(fā)明仿真實(shí)驗(yàn)中無(wú)模糊空間譜矩陣Ρ?*(Θ)'的一個(gè)時(shí)間切片；
[0085] 圖11為本發(fā)明仿真實(shí)驗(yàn)中常規(guī)互譜直方圖方法處理后得到的空間譜時(shí)間方位歷 程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0086] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
【具體實(shí)施方式】 [0087] 一：
[0088] 本實(shí)施方式的一種基于聲壓、振速互譜法的矢量陣左右艇分辨方法，結(jié)合圖2和圖 3所示，所述方法通過(guò)W下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0089] 步驟一、對(duì)多元陣列接收到的聲壓信號(hào)變?yōu)轭l域信號(hào)后，作頻域?qū)拵СＲ?guī)波束形 成處理，得到原始空間譜矩陣PDut(e);其中，空間譜矩陣是指輸出的空間譜類(lèi)型的矩陣；
[0090] 步驟二、對(duì)步驟一得到的原始空間譜矩陣PDut(0)進(jìn)行雙向一階遞歸濾波處理，得 到平滑后的空間譜Pa(e);
[0091] 步驟Ξ、根據(jù)步驟二得到的平滑空間譜Ρα(θ)，在平滑空間譜Ρα(θ)的基礎(chǔ)上提高化 個(gè)分貝得到譜峰篩選的口限時(shí)τ(θ);掃描方位角度0 = [0°，1°，2°，一，360°]，將原始空間譜 矩陣P〇ut(0)中所有高于口限Pdt(0)的方位角度Θ篩選出來(lái)，并分別記為目標(biāo)信號(hào)方位角θι 02…0k;k表示測(cè)量空間內(nèi)的目標(biāo)方位角度的個(gè)數(shù)；
[0092] 步驟四、根據(jù)步驟Ξ篩選出的目標(biāo)信號(hào)方位角θι θ2…0k，在每個(gè)目標(biāo)信號(hào)方位 上對(duì)聲壓、振速的頻譜信號(hào)進(jìn)行波束形成；
[0093] 步驟五、根據(jù)步驟四波束形成結(jié)果，將步驟一中間步驟的傅里葉變換(簡(jiǎn)稱(chēng)為FFT) 后輸出的頻域聲壓信號(hào)分別與頻域振速VX、振速VY做互譜運(yùn)算、方位估計(jì)W及直方圖統(tǒng)計(jì) 方位得到估計(jì)結(jié)果4爲(wèi).·. 0;;
[0094] 步驟六、根據(jù)步驟五得到的估計(jì)結(jié)果為a ... 4進(jìn)行目標(biāo)的左右艇判決，即判 1 2 k 斷估計(jì)值與掃描方位差的絕對(duì)值4-巧是否小于等于估計(jì)值與映像方位差的絕對(duì)值
[00M]若是，則保留該目標(biāo)信號(hào)方位；
[0096] 否則，認(rèn)為是目標(biāo)的映像方位的偽峰06,將其剔除；
[0097] 步驟屯、利用步驟六保留的目標(biāo)信號(hào)方位的結(jié)果，對(duì)于確定為映像方位的偽峰0e， 帶入步驟二中平滑后的空間譜Ρα(目）中得到Ρα(目e)，并利用Ρα(目e)代替原始空間譜矩陣Pout (9e)中輸出功率；由此得到無(wú)模糊的空間譜矩陣Pnut(0)'。
[009引【具體實(shí)施方式】二：
[0099] 與【具體實(shí)施方式】一不同的是，本實(shí)施方式的基于聲壓、振速互譜法的矢量陣左右 艇分辨方法，步驟一所述對(duì)多元陣列接收到的聲壓信號(hào)作頻域?qū)拵СＲ?guī)波束形成(CBF)處 理，得到原始空間譜矩陣P?t( Θ)的過(guò)程為，
[0100] 步驟一一、對(duì)接收到的聲壓、振速時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(簡(jiǎn)稱(chēng)為FFT)轉(zhuǎn)換 為頻域信號(hào)；
[0101] 步驟一二、對(duì)頻域信號(hào)工作頻段帶寬為B范圍內(nèi)各個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)分別進(jìn)行常規(guī)波束 形成(簡(jiǎn)稱(chēng)為CB巧處理，得到各頻點(diǎn)的空間譜，并輸出;并將空間譜表示為P(fi，0)，且
[0102] P(fi，9)=a(fi，0)H R(fi)a(fi，0);式中，
[0103] B為信號(hào)帶寬，B = fh-fi，fi為工作頻段下限頻率，fh為工作頻段上限頻率，fi為快速 傅里葉變換(簡(jiǎn)稱(chēng)為FFT)對(duì)于信號(hào)頻帶B內(nèi)的第i個(gè)頻率，i = l，2-L，L為信號(hào)帶寬納快速 傅里葉變換(簡(jiǎn)稱(chēng)為FFT)對(duì)應(yīng)的子帶個(gè)數(shù)，L = B/Af，B為信號(hào)帶寬，Af為FFT計(jì)算時(shí)的頻率 分辨率，f f i《f h，a (f i，Θ)為頻率f i對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向矢量；
[0104] Η表示求共輛轉(zhuǎn)置；
[0105] Θ為0~360°的方位角度；
[0106] R(fi)表示頻率fi的互譜密度矩陣，且R(fi)=E(X(f〇X(fi)H);
[0107] 步驟一 Ξ、把各頻點(diǎn)的空間譜P(fi，0)累加，得到常規(guī)寬帶波束輸出空間譜，即原 始空間譜輸出矩陣Pnut，其中：

【具體實(shí)施方式】 [0108] Ξ:
[0109] 與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是，本實(shí)施方式的一種基于聲壓、振速互譜法的矢 量陣左右艇分辨方法，步驟二所述對(duì)步驟一得到的原始空間譜矩陣PDut(0)進(jìn)行雙向一階遞 歸濾波處理，得到平滑后的空間譜Ρα( Θ )的過(guò)程為，
[0110] 步驟二一、采用雙向一階遞歸濾波器，即α濾波器對(duì)原始空間譜矩陣PDut(0)進(jìn)行平 滑濾波處理;同時(shí)提取原始空間譜矩陣P?t(Θ)的譜峰；
[0111] 步驟二二、將原始空間譜矩陣P〇ut(0)進(jìn)行雙向α濾波得到Ρα(θ)，根據(jù)濾波系數(shù)的 可調(diào)性將濾波系數(shù)調(diào)小，使得濾波效果越明顯，得到的Pa(e)也越平坦。
【具體實(shí)施方式】 [0112] 四：
[0113] 與【具體實(shí)施方式】Ξ不同的是，本實(shí)施方式的基于聲壓、振速互譜法的矢量陣左右 艇分辨方法，步驟四所述根據(jù)步驟Ξ篩選出的目標(biāo)信號(hào)方位角01 02…0k，在每個(gè)目標(biāo)信 號(hào)方位上對(duì)聲壓、振速的頻譜信號(hào)進(jìn)行波束形成；W及步驟五所述根據(jù)步驟四波束形成結(jié) 果，將步驟一中間步驟傅里葉變換后(簡(jiǎn)稱(chēng)為FFT)輸出的頻域聲壓信號(hào)分別與頻域振速VX、 振速VY做互譜運(yùn)算、方位估計(jì)W及直方圖統(tǒng)計(jì)方位得到估計(jì)結(jié)果4 A ... 4的過(guò)程為，
[0114] 第一，利用互譜直方圖方法在各個(gè)掃描點(diǎn)處進(jìn)行矢量方位估計(jì)，Κρ(ω)表示由聲 壓、振速時(shí)域信號(hào)經(jīng)傅里葉變換(簡(jiǎn)稱(chēng)為FFT)輸出的聲壓譜，Κνχ(ω)表示X軸振速譜，Wvy (ω )表示y軸振速譜;wp(0k，ω )為對(duì)應(yīng)方向的聲壓信號(hào)的波束形成(簡(jiǎn)稱(chēng)為CBF)的加權(quán)向 量，則在譜峰方位波束形成的輸出寫(xiě)為：
[0118] 第二，在譜峰方位波束形成的輸出包含0k方向來(lái)波的貢獻(xiàn)，和波束寬度范圍內(nèi)其 它方向來(lái)波的貢獻(xiàn);若波束形成器為理想空域?yàn)V波器，即只有方向的來(lái)波通過(guò)，其余方向 的來(lái)波被完全濾掉，則經(jīng)過(guò)方向波束形成空域?yàn)V波后的陣列聲強(qiáng)為：
[0119]
[0120] 式中，的，份)W及vL。（巧，0)中*表示共輛運(yùn)算；
[0121] 則頻域復(fù)聲強(qiáng)器方位估計(jì)Θ的公式為：
[0122]
[0123] 第Ξ，對(duì)步驟四得到的波束形成結(jié)果，即集合0(0k，co)，做直方圖估計(jì)，得：
[0124]
[0125] 則^^為陣列互譜直方圖法得到的估計(jì)方位值;其中，F(xiàn)(0)為θ的概率密度函數(shù)，Q為 直方圖的分割總數(shù)，θι為每個(gè)分割區(qū)的中屯、方位值；
[0126] 第四，在每個(gè)譜峰方位角θι θ2…都進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，得到相應(yīng)估計(jì)方位：
[0127] 白I每…句。
【具體實(shí)施方式】 [0128] 五：
[0129] 與【具體實(shí)施方式】一、二或四不同的是，本實(shí)施方式的一種基于聲壓、振速互譜法的 矢量陣左右艇分辨方法，步驟屯所述利用步驟六保留的目標(biāo)信號(hào)方位的結(jié)果，對(duì)于確定為 映像方位的偽峰θβ，帶入步驟二中平滑后的空間譜Ρα(θ)中得到Ρα(θ6)，并利用Ρα(θ6)代替原 始空間譜矩陣Pnut(0e)中輸出功率；由此得到無(wú)模糊的空間譜矩陣PDUt(0)'的過(guò)程是指，
[0130] 根據(jù)步驟六中方位的左右艇判決結(jié)果，在原始空間譜矩陣Pnut(0)上對(duì)判決出的映 像方位進(jìn)行抑制，具體為:利用步驟二中雙向一階遞歸濾波器得到平滑后的空間譜Ρα(9)， 在原始空間譜矩陣Pout(e)中映像方位的功率譜替換為平滑后的空間譜Ρα(θ)中對(duì)應(yīng)方位的 功率譜，實(shí)現(xiàn)對(duì)映像方位的抑制，得到左右艇無(wú)模糊的空間譜輸出矩陣PDUt(0) '。
【具體實(shí)施方式】 [0131] 六：
[0132] 與【具體實(shí)施方式】五不同的是，本實(shí)施方式的一種基于聲壓、振速互譜法的矢量陣 左右艇分辨方法，步驟一所述對(duì)多元陣列為Μ元陣元的矢量陣列，其在t時(shí)刻的陳列輸出表 示為：
[0133] X(t) = [xi(t) ,X2(t),,XM(t)]T
[0134] =A(白）S(t)+N(t)
[0135] 其中，S(t)表示源信號(hào)矢量，S(t) = [si(t)，S2(t)，…，sk(t)]T;k表示測(cè)量空間內(nèi) 的目標(biāo)個(gè)數(shù)；
[0136] N(t)表示陣列接收到的噪聲矢量，N(t) = [ni(t)，ri2(t)，···，riM(t)]T;
[0137] Α(θ)表示陣列的信號(hào)方向矩陣，A(6)=la(",U(化
[0138] a(目k)表示陣列波束形成導(dǎo)向矢量―滿，...，0-此減r;
[0139] 當(dāng)測(cè)量空間內(nèi)的目標(biāo)個(gè)數(shù)為1，即k = l時(shí)，陳列輸出簡(jiǎn)化為：
[0140] X(t) = [xi(t) ,X2(t),,XM(t) ]T=a(目s)S(t)+N(t)。
[0141] 實(shí)施例1:
[0142] 下面結(jié)合本發(fā)明的算法流程圖3對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述。按照?qǐng)D2所示的幾何關(guān) 系建立數(shù)學(xué)模型，將一個(gè)Μ元陣列在t時(shí)刻的陣列輸出表示為如下形式：
[0143]
(1)
[0144] 其中各項(xiàng)變量定義如下：
[0145] S(t) = [si(t)，S2(t)，…，sk(t)]T:源信號(hào)矢量;k:現(xiàn)慢空間內(nèi)的目標(biāo)個(gè)數(shù)；
[0146] N(t) = [ni(t)，ri2(t)，···，nM(t)]T:陣列接收到的噪聲矢量；
[0147] Λ例=111("|)，3(":)，...，3儀小陣列的信號(hào)方向矩陣；
[014引a權(quán))=[l，e狐，...，6-蘆-化叫；陣列波束形成導(dǎo)向矢量；
[0149] 考慮一個(gè)目標(biāo)的情況，則可W簡(jiǎn)化為：
[0150] X(t) = [xi(t),X2(t),...,XM(t)]T=a(目 s)S(t)+N(t) (2)
[0151] -般陣元域加權(quán)波束輸出可W表示為：
[0152] y(t)=W^(t) (5)
[015；3]式中，ΚΗ(θ) = [ωι(θ)，ω2(θ)，···，ωΜ(θ)]τ為波束形成權(quán)矢量，ωι(θ)為第i號(hào)陣 元的加權(quán)系數(shù)。Θ是波束的指向角，權(quán)向量的模表示對(duì)陣元輸出信號(hào)的幅度加權(quán)，相角表示 對(duì)陣元輸出信號(hào)的相位延遲。此時(shí)波束形成輸出的平均功率或稱(chēng)空間譜可表示為：
[0154] Ρ(Θ)=Ε[ |y(t) p]=W^(X(t)X^(t))W=W^W (6)
[0155] 式中，R = E(X(t)X(t)H)是聲矢量陣列協(xié)方差矩陣，E[ ·]表示求數(shù)學(xué)平均，對(duì)于窄 帶信號(hào)常規(guī)波束形成的權(quán)向量和方位譜公式如下：
[0156] W(目）=a(目） (7)
[0157] P(0)=a(9)HRa(0) (8)
[0158] 在被動(dòng)測(cè)量過(guò)程中處理的目標(biāo)信號(hào)往往是寬信號(hào)，處理寬帶信號(hào)可W獲得較窄帶 信號(hào)更為豐富的目標(biāo)信息。寬帶波束形成需將信號(hào)分為若干窄帶信號(hào)進(jìn)行子帶處理，可通 過(guò)FFT實(shí)現(xiàn)。假設(shè)FFT分解中分解為L(zhǎng)個(gè)子帶，第i個(gè)子帶的波束形成權(quán)矢量可表示為：
[0159] W(fi,0)=a(fi,0) (9)
[0160] 第i個(gè)子帶的波束輸出的能量：
[0161] P(fi，目)=a(fi，白)HR(fi)a(fi，白） (10)
[0162] 式中，R(fi)=E(X(f〇X(fi)H)，為頻率fi的互譜密度矩陣，E[ ·]為求N次數(shù)學(xué)平均， N為觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的獨(dú)立快拍數(shù)，平均相當(dāng)于是一個(gè)時(shí)間上的積分，可W提高互譜密度矩陣R 的估計(jì)精度和穩(wěn)定度。X(fi) = [Xl(fi)，X2化）一XM(fi)]T，為各陣元接收信號(hào)在頻率fi處的 頻譜值。把每個(gè)子帶的能量累加就得到了寬帶波束輸出：
[0163]
(…
[0164] 本發(fā)明給出的一種基于陣列互譜直方圖的左右艇分辨方法是指在利用聲壓信號(hào) 得到寬帶空間譜PDut(0)的基礎(chǔ)上，提取出譜峰的方位角，即各個(gè)目標(biāo)的真實(shí)方位W及映像 方位。將有效譜峰值儲(chǔ)存起來(lái)作為掃描方位點(diǎn)。利用互譜直方圖方法在在各個(gè)掃描點(diǎn)處進(jìn) 行矢量方位估計(jì)，如果互譜直方圖方法的估計(jì)值與該掃描點(diǎn)的差值小于該估計(jì)值與掃描點(diǎn) 的映像方位的差值時(shí)，則認(rèn)為該譜峰為目標(biāo)的真實(shí)方位，否則認(rèn)為是目標(biāo)的映像方位，在空 間譜P?t(0)上對(duì)映像方位進(jìn)行平滑抑制得到左右艇無(wú)模糊的空間譜Ρ?*(θ) '。
[01化]實(shí)施例2:
[0166] 所述步驟2采用雙向一階遞歸濾波器(α濾波器)提取出有效的譜峰。【具體實(shí)施方式】 是:將P〇ut(0)進(jìn)行雙向α濾波得到Ρα(θ)，濾波系數(shù)可調(diào)，濾波系數(shù)越小則濾波效果越明顯， 得到的Ρα(目）也越平坦。Dt為譜峰篩選的口限在Ρα(目）的基礎(chǔ)上提高化分貝得到譜峰篩選的 Π 限時(shí)Τ(θ):
[0167] Pdt(目）=Ρα(目）+Dt (12)
[016引掃描所有角度Θ = [0°，1°，2°，…，360°]角，將所有高于口限PDT(目）的方位目篩選出 來(lái)。
[0169]其它步驟及參數(shù)與實(shí)施例1相同。
[0170] 仿真實(shí)驗(yàn)：
[0171] 圖6至圖10是雙目標(biāo)情況下常規(guī)寬帶波束形成和本發(fā)明提出方法的性能比較。條 件:8元陣，設(shè)陣元間距為0.75m( 1曲Z半波間距），工作頻帶為800~1200化，F(xiàn)FT頻率分辨率 為IHz，積分時(shí)間Is,目標(biāo)1方位從60°至120°，目標(biāo)2方位從120°至60°，信噪比均為-10地，觀 察時(shí)間長(zhǎng)度為30s。W常規(guī)波束形成為基礎(chǔ)對(duì)比分析基于聲壓、振速互譜法的矢量陣左右艇 分辨方法的處理效果。圖6是聲壓信號(hào)經(jīng)過(guò)常規(guī)波束形成(CBF)處理輸出的空間譜P〇ut(0)矩 陣，即常規(guī)波束形成估計(jì)的方位歷程圖。圖7為圖6的一個(gè)時(shí)間切片，圖7中可W清晰明了地 觀察到，四個(gè)譜峰分別兩兩關(guān)于180°對(duì)稱(chēng)，實(shí)際上運(yùn)四個(gè)譜峰中僅有兩個(gè)真實(shí)方位，另外兩 個(gè)為其各自的映像方位。為了有效而自動(dòng)地提取出中空間譜Pout ( Θ )中的譜峰方位，對(duì)Pout (9)的每個(gè)時(shí)間切片進(jìn)行雙向α濾波，濾波后的結(jié)果如圖8所示。圖9為經(jīng)過(guò)基于聲壓、振速互 譜法的矢量陣左右艇分辨方法的處理輸出的無(wú)模糊空間譜矩陣PDut(0)'。圖10為圖9的一個(gè) 時(shí)間切片，從圖中可W觀察到兩個(gè)映像方位經(jīng)過(guò)偽峰抑制處理有效地被削減了。對(duì)比分析 圖6和圖9可知經(jīng)過(guò)本文的左右艇分辨算法處理過(guò)后可W有效地分辨出真是信號(hào)的方位與 映像方位，并且通過(guò)偽峰抑制映像信號(hào)的空間譜輸出，圖9中處理后映像方位的波束輸出明 顯降低了。圖11為相同實(shí)驗(yàn)條件下利用常規(guī)的互譜直方圖方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的結(jié)果，由 于常規(guī)的互譜直方圖方法對(duì)同頻信號(hào)的多目標(biāo)分辨功能較差，原本存在的兩個(gè)不同方位的 同頻信號(hào)合并為一個(gè)目標(biāo)，輸出的方位也為合并后的方位，在此條件下相比本文的左右艇 分辨方法具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。
[0172] 本發(fā)明屬于矢量拖曳陣信號(hào)處理領(lǐng)域?qū)δ繕?biāo)的左右艇分辨方法領(lǐng)域。現(xiàn)有矢量陣 的左右艇分辨存在準(zhǔn)確度低的問(wèn)題。本發(fā)明對(duì)矢量陣列接收到的聲壓信號(hào)作頻域?qū)拵СＲ?guī) 波束形成處理，得到空間譜輸出矩陣;進(jìn)行雙向一階遞歸濾波得到平滑后的空間譜;篩選出 空間譜輸出矩陣中高于口限的方位角;進(jìn)行波束形成;將后輸出的頻域聲壓信號(hào)分別與頻 域振速、振速做互譜運(yùn)算、方位估計(jì)W及直方圖統(tǒng)計(jì)方位;進(jìn)行目標(biāo)的左右艇判決;若確定 為映像方位的偽峰，在相應(yīng)的偽峰方位用平滑后的空間譜代替原空間譜中輸出功率。本發(fā) 明具有更好的實(shí)用性。
[0173] 本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域 技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但運(yùn)些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于 本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于聲壓、振速互譜法的矢量陣左右舷分辨方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 對(duì)矢量陣列接收到的聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)后，作頻域?qū)拵СＲ?guī)波束形成處理， 得到原始空間譜矩陣Ρ_(θ);其中，空間譜矩陣是指輸出的空間譜類(lèi)型的矩陣； (2) 對(duì)步驟（1)得到的原始空間譜矩陣Ρ_(θ)進(jìn)行雙向一階遞歸濾波處理，得到平滑后 的空間譜Ρα(θ); (3) 根據(jù)步驟(2)得到的平滑空間譜Ρα(θ)，在平滑空間譜ρα(θ)的基礎(chǔ)上提高DT個(gè)分貝 得到譜峰篩選的門(mén)限P DT(0);掃描方位角度0 = [〇°，1°，2°，"_，36〇°]，將原始空間譜矩陣卩咖 (Θ)中所有高于門(mén)限PDT(0)的方位角度Θ篩選出來(lái)，并分別記為目標(biāo)信號(hào)方位角θ: θ2…0k; k表示測(cè)量空間內(nèi)的目標(biāo)方位角度的個(gè)數(shù)； (4) 根據(jù)步驟(3)篩選出的目標(biāo)信號(hào)方位角θ: θ2…0k，在每個(gè)目標(biāo)信號(hào)方位上對(duì)聲 壓、振速的頻譜信號(hào)進(jìn)行波束形成； (5) 根據(jù)步驟(4)波束形成結(jié)果，將步驟（1)中獲得的聲壓信號(hào)分別與X軸振速信號(hào)、y軸 振速信號(hào)做互譜運(yùn)算、方位估計(jì)以及直方圖統(tǒng)計(jì)，得到方位估計(jì)結(jié)果4 4…4; (6) 根據(jù)步驟(5)得到的估計(jì)結(jié)果^ …0進(jìn)行目標(biāo)的左右舷判決，即判斷估計(jì)值 與掃描方位差的絕對(duì)值4-忿是否小于等于估計(jì)值與映像方位差的絕對(duì)值4-(360 - 4): 若是，則保留該目標(biāo)信號(hào)方位； 否則，認(rèn)為是目標(biāo)的映像方位的偽峰θβ，將其剔除； (7) 利用步驟(6)保留的目標(biāo)信號(hào)方位的結(jié)果，對(duì)于確定為映像方位的偽峰，帶入步驟 ⑵中平滑后的空間譜Ρα(θ)中得到Ρα(θ丄并利代替原始空間譜矩陣ρ_(θ θ)中輸 出功率；由此得到無(wú)模糊的空間譜矩陣Ρ_(θ) '。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于聲壓、振速互譜法的矢量陣左右舷分辨方法，其特征在 于:所述步驟(1)中對(duì)多元陣列接收到的聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)后，作頻域?qū)拵СＲ?guī)波束 形成處理，得到原始空間譜矩陣Ρ_( Θ)的過(guò)程為： (1.1) 對(duì)接收到的聲壓、振速時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)； (1.2) 對(duì)頻域信號(hào)工作頻段帶寬為B范圍內(nèi)各個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)分別進(jìn)行常規(guī)波束形成處理， 得到各頻點(diǎn)的空間譜，并輸出;并將空間譜表示為ρα^θ)，且 P(fi，0)=a(fi，0)H 式中， B為信號(hào)帶寬，B = fh-fi，fi為工作頻段下限頻率，fh為工作頻段上限頻率，fi為快速傅里 葉變換對(duì)于信號(hào)頻帶B內(nèi)的第i個(gè)頻率，1 = 1，2-丄兒為信號(hào)帶寬8內(nèi)快速傅里葉變換對(duì)應(yīng)的 子帶個(gè)數(shù)，L = Β/ Δ f，B為信號(hào)帶寬，Δ f為FFT計(jì)算時(shí)的頻率分辨率，f 1彡f i彡fh，a(f i，Θ)為 頻率fi對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向矢量； Η表示求共輒轉(zhuǎn)置； Θ為0~360°的方位角度； R(fi)表示頻率fi的互譜密度矩陣，且R(fi)=E(X(fi)X(fi)H); (1.3) 把各頻點(diǎn)的空間譜Ρα^θ)累加，得到常規(guī)寬帶波束輸出空間譜，即原始空間譜輸 出矩陣PQUt，其中，:P"" f (化土；/乂/;，<9)。 ?=13. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種基于聲壓、振速互譜法的矢量陣左右舷分辨方法，其特 征在于:所述步驟(2)中對(duì)得到的原始空間譜矩陣Ρ_(θ)進(jìn)行雙向一階遞歸濾波處理，得到 平滑后的空間譜Ρ α( Θ)的過(guò)程為： (2.1) 采用雙向一階遞歸濾波器對(duì)原始空間譜矩陣Ρ〇α(θ)進(jìn)行平滑濾波處理；同時(shí)提 取原始空間譜矩陣P?t (Θ)的譜峰； (2.2) 將原始空間譜矩陣?_(0)進(jìn)行雙向<1濾波得到?40)，將濾波系數(shù)調(diào)小。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述一種基于聲壓、振速互譜法的矢量陣左右舷分辨方法，其特征在 于:所述步驟(4)對(duì)篩選出的目標(biāo)信號(hào)方位角θ: θ2…0k，在每個(gè)目標(biāo)信號(hào)方位上對(duì)聲壓、 振速的頻譜信號(hào)進(jìn)行波束形成；以及步驟(5)所述根據(jù)步驟(4)波束形成結(jié)果，將步驟(1)輸 出的聲壓信號(hào)分別與X軸振速信號(hào)、y軸振速信號(hào)做互譜運(yùn)算、方位估計(jì)以及直方圖統(tǒng)計(jì)方 位得到估計(jì)結(jié)果?爲(wèi)…4的過(guò)程為， 1) 利用互譜直方圖方法在各個(gè)掃描點(diǎn)處進(jìn)行矢量方位估計(jì)，以Ρ(ω)表示由聲壓信號(hào) 經(jīng)傅里葉變換輸出的聲壓譜，以νχ( ω )表示X軸振速信號(hào)振速譜，以Vy( ω )表示y軸振速信號(hào) 振速譜;wP(0k，ω )為對(duì)應(yīng)0k方向的聲壓信號(hào)的波束形成的加權(quán)向量，則在譜峰方位波束形 成的輸出寫(xiě)為： Vcbf^- , ω) = {9k, ω)ρ(?) ^CBFx vv?.))ν,(?.)) 、r =丨JA M)、 2) 在譜峰方位波束形成的輸出包含向來(lái)波的貢獻(xiàn)，和波束寬度范圍內(nèi)其它方向來(lái) 波的貢獻(xiàn);若波束形成器為理想空域?yàn)V波器，即只有向的來(lái)波通過(guò)，其余方向的來(lái)波被 完全濾掉，則經(jīng)方向波束形成空域?yàn)V波后的陣列聲強(qiáng)為： Ιχ (Θ,, oj) = Re{(pr^ (0k, co)Y*CBFx(9k, co))} /,.(0L, ο? = Rc{(pf v;,, (0k. w)v；rt,,,(0k. w))} 式中，(爲(wèi)，(60)以及_/_(%.，#)中*表示共輒運(yùn)算； 則頻域復(fù)聲強(qiáng)器方位估計(jì)Θ的公式為：3) 對(duì)步驟四得到的波束形成結(jié)果，即集合0(0k，co)，做直方圖估計(jì)，得： θι,=/χθ[(0)) = λγθ；ηθ): Q /=1 則??為陣列互譜直方圖法得到的估計(jì)方位值;其中，F(xiàn)(0)為θ的概率密度函數(shù)，Q為直方 圖的分割總數(shù)，每個(gè)分割區(qū)的中心方位值； 4) 在每個(gè)譜峰方位角θ: θ2…0k都進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，得到相應(yīng)估計(jì)方位： Λ. .Λ. .Λ Α βι '· β5. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述一種基于聲壓、振速互譜法的矢量陣左右舷分辨方法，其 特征在于:所述步驟(7)利用保留的目標(biāo)信號(hào)方位的結(jié)果，對(duì)于確定為映像方位的偽峰Θθ， 帶入步驟(2)中平滑后的空間譜Ρα(θ)中得到pa(0e)，并利用p a(0e)代替原始空間譜矩陣Pcmt 隊(duì))中輸出功率；由此得到無(wú)模糊的空間譜矩陣ρ_(θ)'的過(guò)程是： 根據(jù)步驟(6)中方位的左右舷判決結(jié)果，在原始空間譜矩陣Pc>ut(0)上對(duì)判決出的映像 方位進(jìn)行抑制，具體為:利用步驟(2)中雙向一階遞歸濾波器得到平滑后的空間譜Ρα(θ)，在 原始空間譜矩陣Ροα(θ)中映像方位的功率譜替換為平滑后的空間譜Ρ α(θ)中對(duì)應(yīng)方位的功 率譜，實(shí)現(xiàn)對(duì)映像方位的抑制，得到左右舷無(wú)模糊的空間譜輸出矩陣ρ_(θ) '。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種基于聲壓、振速互譜法的矢量陣左右舷分辨方法，其特征在 于:所述步驟⑴中對(duì)多元陣列為Μ元陣元的矢量陣列，其在t時(shí)刻的陳列輸出表示為： X(〇 = [v. (/)} =A(昨(小-N(，） 其中，S⑴表示源信號(hào)矢量，S(t) = [si(t)，S2(t)，…，sk(t)]T;k表示測(cè)量空間內(nèi)的目標(biāo) 個(gè)數(shù)； N(t)表示陣列接收到的噪聲矢量，N(t) = [m(t)，n2(t)，···，nM(t)]T; Α(θ；)表不陣列的信號(hào)方向矩陣，A⑷=),a(i'L),…,a(}j; aW表示陣列波束形成導(dǎo)向矢M，a(",.)=[U .…叫;; 當(dāng)測(cè)量空間內(nèi)的目標(biāo)個(gè)數(shù)為1，即k= 1時(shí)，陳列輸出簡(jiǎn)化為： X(t) = [xi(t)，X2(t)，…，XM(t) ]T = a(0s)S(t)+N(t)。
【文檔編號(hào)】G01S3/802GK106066468SQ201610352531
【公開(kāi)日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2016年5月25日 公開(kāi)號(hào)201610352531.6, CN 106066468 A, CN 106066468A, CN 201610352531, CN-A-106066468, CN106066468 A, CN106066468A, CN201610352531, CN201610352531.6
【發(fā)明人】梅繼丹, 朱英慧, 孫大軍, 馬超, 張珂
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)