专利名称：基于声矢量传感器均匀直线阵的快速宽带频域波束形成方法
基于声矢量传感器均匀直线阵的快速宽带频域波束形成方法技术领域
本发明属于声纳数字信号处理领域，特别涉及基于声矢量传感器均勻直线阵的快 速宽带频域波束形成方法。
背景技术：
声矢量传感器是一种新型传感器，它可以空间共点、同步测量声场中的声压和质 点振速的各正交分量，同时获取声场中的标量场和矢量场的相关信息，远优于传统的声压 水听器。理论分析和试验都表明，远场条件下相干源辐射声场的声压和振速是完全相关的， 且振速具有与频率无关的偶极子自然指向性，而背景噪声场的声压振速则是独立的。这是 声矢量信号处理的基础，也体现出了其相较于单一声压信号处理的优越性。
从1958年G. L. Boyer成功研制了第一个声压梯度水听器开始，随后几十年，振速 传感器技术得到了飞速的发展，动圈式、压电式和光纤式等多种振速传感器技术正在不断 创新。国内的有关研究虽然起步稍晚，但也取得了积极的成果，哈尔滨工程大学、中科院声 学所及715所自上个世纪八十年代初开始了声矢量传感器的研制工作并成功研制了二维 同振式声矢量传感器和三维同振式声矢量传感器。这些都为声矢量传感器均勻直线阵的工 程化应用打下了坚实的工艺基础。
声矢量传感器阵列信号处理现在正是水声领域中的研究热点之一。1999年， Hawkes等人已经指出任意布局的阵列，即使是最简单的线阵，也可以无模糊的确定单 目标的方位角禾口俯仰角；文献"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”提到了声矢量传感器阵列在船壳声纳中 成功应用，船体耐压壳可近似成软边界，此处声压接近于零，振速却最大，因而以声矢量传 感器均勻直线阵取代传统的声压水听器均勻直线阵可以获得最佳的检测性能，克服检测目 标低频线谱中存在的严重问题；孙贵青在其论文“声矢量传感器均勻直线阵的左右舷分辨” 对声矢量传感器均勻直线阵的左右舷分辨的关键技术进行了论述，指出声矢量传感器均勻 直线阵具有很好的左右舷分辨性能，其除了不可避免地与信噪比有关之外，还主要取决于 与频率无关的矢量传感器阵元指向性。
而基于声矢量传感器均勻直线阵的最基本的处理方法是常规波束形成(CBF)，即 通过线阵对接收到的信号进行空间滤波来获取目标方位功率输出。尤其是阵元数较多时， 相比于MVDR、子空间等方法，CBF仍是最便于在工程上实现的信号处理方法。但声矢量传感 器均勻直线阵与传统声压水听器均勻直线阵相比，因为多出了振速各分量信号的处理，其 处理的维数也较后者大大增加，处理所带来的时间花销也相应增加，特别是对于宽带信号 的频域处理。因而如何有效地提高声矢量传感器均勻直线阵宽带频域波束形成的处理速度 成为关键。发明内容
本发明的目的在于，提供基于声矢量传感器均勻直线阵的快速宽带频域波束形成 方法，以有效地提高声矢量传感器均勻直线阵宽带频域波束形成的处理速度，实现运算速 度的大大提高，便于实时处理。
为了实现上述发明目的，本发明提出基于声矢量传感器均勻直线阵的快速宽带频 域波束形成方法。该方法步骤包括
步骤1)用声矢量传感器均勻直线阵接收空间时域信号，得到M个阵元的时域信 号，其中，M为不小于2的整数，时域信号包括时域声压信号和时域振速信号，对需要处理的 快拍数据做傅立叶变换得到相应的频域信号；
步骤2)对需要处理的频带范围[fmin，fmax]，将M个阵元的频域信号在空间域补 零，然后在空间域上做FFT变换，最后将变换结果的零频分量移至谱中心，其中，频带范围 [ffflin, fmax]根据实际需要进行选取，只需满足fmin > 0，fmax不大于数据采样率的一半即可；
步骤3)在需要处理的带宽内的每一个频点上依据对应于声压振速频域信号的 频率-波束网格对波束和空域傅立叶结果进行对齐校正和相应线性相加，得到不同频点的 波束形成结果；
步骤4)合成不同频率的波束形成结果，得到线阵在空间上的功率输出；
权利要求
1.基于声矢量传感器均勻直线阵的快速宽带频域波束形成方法，该方法步骤包括 步骤1)用声矢量传感器均勻直线阵接收空间时域信号，得到M个阵元的时域信号，其中，M为不小于2的整数，时域信号包括时域声压信号和时域振速信号，对需要处理的快拍 数据做傅立叶变换得到相应的频域信号；步骤2)对需要处理的频带范围[fmin，fmax]，将M个阵元的频域信号在空间域补零，然 后在空间域上做FFT变换，最后将变换结果的零频分量移至谱中心，其中，频带范围[fmin， fmax]根据实际需要进行选取，只需满足fmin > 0，fmax不大于数据采样率的一半即可；步骤3)在需要处理的带宽内的每一个频点上依据对应于声压振速频域信号的频 率-波束网格对波束和空域傅立叶结果进行对齐校正和相应线性相加，得到不同频点的波 束形成结果；步骤4)合成不同频率的波束形成结果，得到均勻直线阵在空间上的功率输出；/ _ max2p^s)= Σ \BAfiM(1)。/=f _ min
2.根据权利要求1所述的快速宽带频域波束形成方法，其特征在于，所述的步骤2)中 空间域补零方法采用原数据后直接补零方法或在原数据中插值补零方法。
3.根据权利要求1所述的快速宽带频域波束形成方法，其特征在于，所述的步骤4)具 体方法是在步骤幻中得到的不同频点的波束形成结果即波束输出矩阵，将波束输出矩阵中的 每一行与波束输出矩阵共轭转置相乘，即为相应搜索方位上的输出功率，最后得到线阵在 空间上的功率输出。
4.根据权利要求1所述的快速宽带频域波束形成方法，其特征在于，所述的声矢量传 感器均勻直线阵由多个二维矢量传感器组成时，所述的声矢量传感器均勻直线阵按式(2) 对阵元声压信号单频响应做FFT变换；
5.根据权利要求1或4所述的快速宽带频域波束形成方法，其特征在于，所述的声矢量 传感器均勻直线阵只要阵元数目M、阵元间距d和处理频带[fmin，fmax]已知，则根据式(6) 预先计算出频率-波束网格，计算方法如式(J)所示,,r , , η Ji ■ M · /-COS^i. kiftA) = floor(^-—)(7)其中，floor表示取整运算。
6.根据权利要求1所述的快速宽带频域波束形成方法，其特征在于，所述的声矢量传 感器均勻直线阵由多个三维矢量传感器组成时，所述的声矢量传感器均勻直线阵按式(8) 所示对阵元声压信号单频响应做FFT运算；μ^π^P,β(fiΛ) = YjXm,,(/；)*exp(-7 · —-^-m)m=\(8)所述的声矢量传感器均勻直线阵按式(9)、式(10)和式(11)对阵元振速各分量信号单 频相应运算；1^VxtO (fi, k) ~^Vy1O (fi,众)= ^Vz,θ (fi，众)=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 进行相位补偿和叠加运算得到不同方位的波束输出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 丨办(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变换域k存在 式(13)对应关系ft - M · d. cos φ5 sin θk =(13)其中，k是FFT的运算序号；(^是扫描方位角，
，θ是仰视角，θ e [-90° ，90° ]。
7.根据权利要求1或6所述的快速宽带频域波束形成方法，其特征在于，所述的声矢量 传感器均勻直线阵只要阵元数目M、阵元间距d和处理频带[fmin，fmax]已知，则根据式(13) 预先计算出来频率-波束网格，计算方法如式(14)所示 厂-M-J-cos么 sin汐、,,.Nk (ft Js,θ) = floor^-^——)(⑷c其中，floor表示取整运算。
全文摘要
本发明涉及基于声矢量传感器均匀直线阵的快速宽带频域波束形成方法，该方法步骤包括首先，用声矢量传感器均匀直线阵接收空间信号，得到所有阵元的时域信号，时域信号包括时域声压信号和时域振速信号，对需要处理的快拍数据做傅立叶变换，得到相应的频域信号。其次，针对需要处理的频带范围，将所有阵元的声压、振速频域信号在空间域补零，再对其在空间域上做FFT变换，然后将变换结果的零频分量移至谱中心。接着在需要处理的带宽内的每一个频点上依据对应于声压振速频域信号的频率-波束网格对波束和空域傅立叶结果进行对齐校正和相应线性相加，得到不同频点的波束形成结果。最后，合成不同频率的波束形成结果，得到线阵在空间上的功率输出。
文档编号G01S7/52GK102043145SQ201010534439
公开日2011年5月4日 申请日期2010年11月3日 优先权日2010年11月3日
发明者孙贵青, 曾雄飞, 李峥, 黄海宁 申请人:中国科学院声学研究所