一种基于声压、振速互谱法的矢量阵左右舷分辨方法

一种基于声压、振速互谱法的矢量阵左右舷分辨方法
【专利摘要】本发明属于水声测向研究领域，具体涉及一种基于声压、振速互谱法的矢量阵左右舷分辨方法。本发明包括：收到的声压信号转换为频域信号后，作频域宽带常规波束形成处理，得到原始空间谱矩阵；其中，空间谱矩阵是指输出的空间谱类型的矩阵；对步骤(1)得到的原始空间谱矩阵进行双向一阶递归滤波处理，得到平滑后的空间谱；根据得到的平滑空间谱，在平滑空间谱的基础上提高DT个分贝得到谱峰筛选的门限。该方法可以对空间谱进行峰选，对谱峰范围内的信号进行方位估计，通过比较估计结果与谱峰位置对伪峰测进行消减抑制，进而克服低信噪比条件下左右舷模糊的问题，提高同性噪声背景中弱目标检测能力。
【专利说明】
-种基于声压、振速互谱法的矢量阵左右躯分辨方法
技术领域
[0001] 本发明属于水声测向研究领域，具体设及一种基于声压、振速互谱法的矢量阵左 右艇分辨方法。
【背景技术】
[0002] 在水声测向研究领域，拖曳线列阵的测向根据是不同方位声源信号到达线列阵中 不同阵元的时延差不同。然而组成拖曳线列阵的水听器通常是无指向性的，如图1所示，图 中1表示圆锥面，2表示拖曳线列阵的水听器，在转角相同的圆锥面上入射的信号到达阵列 各个阵元的响应是完全一致的，即相同圆锥面上入射的信号在各个阵元上产生的时延差是 相同的，因此无法分辨来自同一圆锥面上的目标，存在目标模糊的问题。在一般的情况下远 场测向时，W线列阵为对称轴，来自阵列一侧的目标会在对称轴两侧的响应是完全相同的， 因此同一信号在水平面上的两个方位处会产生两个相同方位角，一个是信号的真实方位， 另外一个由于标量阵的左右艇模糊性产生的方位角称之为映像方位，真实方位与映像方位 关于阵列对称。分清信号究竟是来自左艇还是右艇，即通常所说的拖线阵左右艇分辨问题。
[0003] 解决左右艇分辨问题常用的方法总体上来说共有两大类，一类是利用本舰大的自 身机动，根据声响的时间一方位历程图中目标方位的变化或根据复杂的跟踪运算法则，判 断出目标所处的左右艇。另一类可W概括为多线阵方法，利用双线阵或Ξ元阵在拖曳线列 阵的接收端解决左右艇模糊问题。运类方法主要是改变拖曳线列阵声响接收基阵的阵元结 构，国外现役装备中采用的方法主要有Ξ种:Ξ元水听器组、双线阵方式W及矢量水听器。
[0004] 本文针对矢量水听器运一方向提出新的解决方案。矢量水听器能够同时获取声场 的声压和振速信号，拥有比传统声压水听器更为丰富的信息，单矢量水听器即可实现对目 标的检测和360度无模糊测向，用于对目标的检测和方位估计。目前常用的几种单矢量水听 器的方位估计方法有平均声强器法，声压、振速互谱法，互谱直方图统计法，L0FAR线谱方位 估计法W及DEMO的普方位估计法等。基于声压、振速互谱法改进的互谱直方图统计方法一种 优良的宽带多目标信号方位估计方法。尽管单矢量水听器即可实现对目标的检测和方位估 计，但是随着人们对矢量水听器研究的深入与应用的广泛，也发现了矢量水听器的一些不 足与缺点，比如单只系统的可靠性较差，并且对于己知的空间偶极子指向性，其定向精度不 高，空间分辨力不够等。因此，利用矢量阵列对低信噪比目标进行检测是目前的发展趋势。 利用阵列波束形成技术可W获得阵处理增益，提高输出信噪比。而普通声压拖曳阵在对目 标进行测向时存在左右艇模糊问题，即无法分辨目标来自于阵的左侧还是右侧，但是矢量 拖曳阵具有分别目标左右艇的能力，且与同等阵长及阵元数的声压阵相比，矢量阵具有更 高的信号处理增益，因而具有更优的抗干扰性能。
[0005] 水下声信号往往是宽带的，对于宽带信号目前的矢量拖曳阵左右艇分辨方法有： 时域的平均声强器法、频域的互谱直方图法W及直接矢量波束形成法。平均声强器法无法 进行多目标分辨，仅能给出多目标的合成方位，若平均声强器与互谱直方图连用则可分辨 出不同频率特性的目标方位，但是对于相同频率的多目标仍然无法分辨。直接矢量波束形 成的缺点是其左右艇分辨能力在各个角度是不均匀的，目标位于阵的法线方向时分辨效果 好，越接近阵端向时分辨能力越差。因此当存在两个或多个目标相近时不易区分目标，W及 强干扰存在时常常会掩盖弱目标。
[0006] 运里提出了一种基于阵列互谱直方图统计法的矢量阵目标左右艇分辨方法，可W 有效的对同频或非同频多目标进行分辨，与传统方法相比它具有全向360度均匀的左右艇 分辩能力，并且可W有效地提高目标信噪比，增强目标测向的可靠程度的优点。因此能够达 到更好的多目标左右艇分辨效果。
[0007] 经过文献检索发现，有下列文献分别对矢量阵的左右艇分辨问题、单矢量互谱直 方图统计方法W及结合阵列的方位估计。
[000引进行了研究。
[0009] [1]矢量阵的左右艇分辨方法文章，如:孙国仓，浅海矢量声场及其信号处理.哈尔 滨工程大学博±学位论文。2008.10.(W下简称文献1)
[0010] [2]马巍，声矢量传感器稳健空间谱估计技术研究.哈尔滨工程大学博±学位论 文。2013.5( W下简称文献2)
[0011] [3]互谱直方图统计法方位估计的文章，如：陈川.低频矢量水听器目标绝对方位 估计海上试验研究.传感器与微系统.2012，31 (7): 58-60页.（W下简称文献3)
[0012] [4]惠俊英，惠娟著.矢量声信号处理基础.国防工业出版社.2009.4.(?下简称文 献4)
[OOU] [5]、孙国仓，惠俊英，郭龙祥，蔡平.阵列声强器及其应用.系统仿真学报.2008,20 (6) :1551-1558页.（W下简称文献5)
[0014] [6]、孙国仓，惠俊英.基于阵列声强器的稀疏声矢量传感器阵方位估计.2006北京 地区高校研究生学术交流会一一通信与信息技术会议论文集(上）.2006.(?下简称文献6)
[0015] 文献1~2给出了常规矢量阵的左右艇分辨方法。首先标量阵常规波束形成是将各 阵元接收到的声压信号作为一个整体，通过计算其协方差矩阵得到全方位的能量谱输出， 由输出能量大小确定目标的方位。矢量阵的左右艇分辨方法即在标量阵常规波束形成的基 础上将振速通道的信号也加入到协方差矩阵中进行计算，其余步骤与标量波束形成相同。 因此矢量阵的协方差矩阵的计算量远大于标量阵的计算量。提出了一种基于阵列互谱直方 图统计法的矢量阵目标左右艇分辨方法与之相比可W大大降低计算量，为实时处理提供便 利条件的同时还具有全向360度均匀的左右艇分辩能力，对相近目标的区分能力也更好。
[0016] 文献3给出了一种单矢量水听器的互谱直方图方位估计方法，该方法首先将声压、 X轴振速通道和y轴振速通道的时域信号做傅里叶变换得到各自频谱再与声压信号的频谱 做互谱，此时变为频域处理，分别在各个不同的频带内计算X轴方向与y轴方向的声能流即 可估计目标相对于阵列坐标系的水平方位角，对各个频带的方位进行数学上的直方图统 计，直方图累加后的最大值对应的方位即为目标的水平方位角。然而运种矢量方位估计方 法在低信噪比条件下方位估计十分不准确。为了克服运种方法的缺点，本文将标量阵的波 束形成与互谱直方图法相结合，提高了处理信噪比用于判别目标的真实方位。
[0017] 文献4中分别介绍了声压、振速互谱直方图方位估计方法和矢量阵常规波束形成 方法。并给出了一种互谱直方图方位估计和矢量阵常规波束形成相结合使用的方法。利用 矢量阵信号进行多波束扫描，再对每个波束输出进行互谱直方图统计W实现方位估计的目 的。其缺点是当波束没有对准信号源时，波束输出的信噪比较低，从而直方图估计结果不稳 定。运里所提出的新方法，基于声压、振速互谱法改进的互谱直方图统计方法，是在谱峰筛 选的基础上，对谱峰范围内的信号进行方位估计，然后进行波束形成提高信噪比，避免了由 低信噪比造成的误差，再根据估计结果与谱峰位置进行比较W达到左右艇分辨的目的。与 书中所述方法在技术手段W及针对要解决的问题上有本质区别。
[0018] 文献5~6给出了一类矢量方位估计与阵列波束形成相结合的使用方法，称作阵列 声强器法，是将平均声强器与阵列相结合使用的方法，运类方法结合波束形成和阵列声强 器获得方位信息W消除稀疏阵的栅瓣模糊，主要用于抗阵稀疏引起的栅瓣影响。运里提出 的方法重点在于解决矢量阵的左右艇分辨问题，借鉴了文献将矢量方位估计方法与阵列相 结合的思想，但与文献中的方法相比从技术手段本身W及针对要解决的问题上都有本质区 别。

【发明内容】

[0019] 本发明的目的是提出一种解决矢量阵的左右艇分辨准确度低W及对360度范围内 目标左右艇分辨能力不均匀的问题的基于声压、振速互谱法的矢量阵左右艇分辨方法。
[0020] 本发明的目的是运样实现的：
[0021] 本发明包括如下步骤：
[0022] (1)对矢量阵列接收到的声压信号转换为频域信号后，作频域宽带常规波束形成 处理，得到原始空间谱矩阵PDut(e);其中，空间谱矩阵是指输出的空间谱类型的矩阵；
[0023] (2)对步骤(1)得到的原始空间谱矩阵PDut(0)进行双向一阶递归滤波处理，得到平 滑后的空间谱Pa(e);
[0024] (3)根据步骤(2)得到的平滑空间谱Ρα(θ)，在平滑空间谱Ρα(θ)的基础上提高化个 分贝得到谱峰筛选的口限Pdt(9);扫描方位角度9 = [0°，1°，2°，-，，360°]，将原始空间谱矩 阵PDut(g)中所有高于Π 限Ροτ(θ)的方位角度Θ筛选出来，并分别记为目标信号方位角θι θ2 …0k;k表示测量空间内的目标方位角度的个数；
[0025] (4)根据步骤(3)筛选出的目标信号方位角θι θ2…0k，在每个目标信号方位上对 声压、振速的频谱信号进行波束形成；
[0026] (5)根据步骤(4)波束形成结果，将步骤（1)中获得的声压信号分别与X轴振速信 号、y轴振速信号做互谱运算、方位估计W及直方图统计，得到方位估计结果 A. A. Λ 目、h…h.，
[0027] (6)根据步骤(5)得到的估计结果?? ft ... 6进行目标的左右艇判决，即判断估 计值与扫描方位差的绝对值4-砖是否小于等于估计值与映像方位差的绝对值
[0028] 若是，则保留该目标信号方位；
[0029] 否则，认为是目标的映像方位的伪峰06,将其剔除；
[0030] (7)利用步骤(6)保留的目标信号方位的结果，对于确定为映像方位的伪峰06,带 入步骤（2)中平滑后的空间谱Ρα(θ)中得到Pa(0e)，并利用Ρα(θ6)代替原始空间谱矩阵Pout (9e)中输出功率；由此得到无模糊的空间谱矩阵Pnut(0)'。
[0031] 所述步骤（1)中对多元阵列接收到的声压信号转换为频域信号后，作频域宽带常 规波束形成处理，得到原始空间谱矩阵P?t( Θ )的过程为：
[0032] (1.1)对接收到的声压、振速时域信号进行快速傅里叶变换转换为频域信号；
[0033] (1.2)对频域信号工作频段带宽为B范围内各个频点信号分别进行常规波束形成 处理，得到各频点的空间谱，并输出;并将空间谱表示为P(fi，e)，且
[0034] P(fi，目）=a(fi，0)H R(fi)a(fi，0);式中，
[0(X3日]B为信号带宽，B = fh-fi，fi为工作频段下限频率，fh为工作频段上限频率，fi为快速 傅里叶变换对于信号频带納的第i个频率，i = l，2-L，L为信号带宽納快速傅里叶变换对 应的子带个数，L = B/ Δ f，B为信号带宽，Δ f为FFT计算时的频率分辨率，f 1《f i《fh，a(f i， Θ)为频率fi对应的导向矢量；
[0036] Η表示求共辆转置；
[0037] Θ为0~360。的方位角度；
[003引 R(fi)表示频率fi的互谱密度矩阵，且R(fi)=E(X(f0X(fi)H);
[0039] (1.3)把各频点的空间谱P(fi，0)累加，得到常规宽带波束输出空间谱，即原始空 间谱输出矩阵Pout,其中：
[0040] 所述步骤(2)中对得到的原始空间谱矩阵Pnut(0)进行双向一阶递归滤波处理，得 到平滑后的空间谱Ρα( Θ )的过程为：
[0041] (2.1)采用双向一阶递归滤波器对原始空间谱矩阵PDut(0)进行平滑滤波处理；同 时提取原始空间谱矩阵P?t( Θ)的谱峰；
[0042] (2.2)将原始空间谱矩阵?。。*(0)进行双向〇滤波得到?。(0)，将滤波系数调小。
[0043] 所述步骤(4)对筛选出的目标信号方位角θι θ2…0k，在每个目标信号方位上对 声压、振速的频谱信号进行波束形成；W及步骤(5)所述根据步骤(4)波束形成结果，将步骤 (1)输出的声压信号分别与X轴振速信号、y轴振速信号做互谱运算、方位估计W及直方图统 计方位得到估计结果為4 ... 4的过程为，
[0044] 1)利用互谱直方图方法在各个扫描点处进行矢量方位估计，Κρ(ω)表示由声压 信号经傅里叶变换输出的声压谱，Wvx( ω )表示X轴振速信号振速谱，Wvy( ω )表示y轴振速 信号振速谱;wp(0k，ω )为对应0k方向的声压信号的波束形成的加权向量，则在谱峰方位波 束形成的输出写为：
[0048] 2)在谱峰方位波束形成的输出包含0k方向来波的贡献，和波束宽度范围内其它方 向来波的贡献;若波束形成器为理想空域滤波器，即只有0k方向的来波通过，其余方向的来 波被完全滤掉，则经过方向波束形成空域滤波后的阵列声强为：
[0050]式中，V:w, (6，的W及ν'α。拘，的中*表示共辆运算；
[0051 ]则频域复声强器方位估计Θ的公式为：
[0化2]
[0053] 3)对步骤四得到的波束形成结果，即集合0诚，《)，做直方图估计，得：
[0化4]
[0化日]则为阵列互谱直方图法得到的估计方位值;其中，F(e)为e的概率密度函数，Q为 直方图的分割总数，θι为每个分割区的中屯、方位值；
[0056] 4)在每个谱峰方位角θι 02…0k都进行直方图统计，得到相应估计方位；
[0057] 為 4 …6^,。
[005引所述步骤(7)利用保留的目标信号方位的结果，对于确定为映像方位的伪峰06,带 入步骤（2)中平滑后的空间谱Ρα(θ)中得到Pa(0e)，并利用Ρα(θ6)代替原始空间谱矩阵Pout (9e)中输出功率；由此得到无模糊的空间谱矩阵Pnut(0)'的过程是：
[0059] 根据步骤(6)中方位的左右艇判决结果，在原始空间谱矩阵Pnut(0)上对判决出的 映像方位进行抑制，具体为：利用步骤（2)中双向一阶递归滤波器得到平滑后的空间谱Ρα (9)，在原始空间谱矩阵P〇ut(0)中映像方位的功率谱替换为平滑后的空间谱Ρα(θ)中对应方 位的功率谱，实现对映像方位的抑制，得到左右艇无模糊的空间谱输出矩阵PDUt(0) '。
[0060] 所述步骤(1)中对多元阵列为Μ元阵元的矢量阵列，其在t时刻的陈列输出表示为： [0061 ] X(t) = [xi(t) ,X2(t),,XM(t) ]τ
[0062] =A(白）S(t)+N(t)
[00创其中，S(t)表示源信号矢量，54) = [31(0,32(*)^。，3加）^^表示测量空间内 的目标个数；
[0064] N(t)表示阵列接收到的噪声矢量，N(t) = [ni(t)，ri2(t)，···，riM(t)]T;
[00化]Α(θ)表示阵列的信号方向矩阵
[0066] a(0k)表示阵列波束形成导向矢量
[0067] 当巧慢空间内的目标个数为1，即k = l时，陈列输出简化为：
[006引 X(t) = [xi(t) ,X2(t),,XM(t) ]T=a(目s)S(t)+N(t)。
[0069] 本发明的有益效果在于：
[0070] 本发明是在矢量阵信号处理中，阵列互谱直方图方法通常直接对声压、振速信号 做互谱进行方位估计。基于声压、振速互谱法改进的互谱直方图方法首先在谱峰方位进行 波束形成，再进行互谱直方图估计信号方位，当扫描波束未对准信号源时，波束内的信号信 噪比较低，互谱直方图法的估计结果峰值不明显，无法准确确定信号的真实方位。为了降低 由于低信噪比对直方图估计带来的影响，本发明给出了一种基于声压、振速互谱法改进的 互谱直方图方法，并将其应用于左右艇分辨中。该方法可W对空间谱进行峰选，对谱峰范围 内的信号进行方位估计，通过比较估计结果与谱峰位置对伪峰测进行消减抑制，进而克服 低信噪比条件下左右艇模糊的问题，提高同性噪声背景中弱目标检测能力；
[0071] (1)文献4给出的矢量阵常规波束形成方法直接应用于目标定位和追踪。当预成的 波束没有对准信号源时，互谱直方图法估计的结果很不稳定，误差较大，不适用于信噪比较 低的环境下；
[0072] (2)文献5、6中传统的阵列声强器抑制栅瓣模糊的方法更加适用于线谱单目标条 件下，对宽带信号W及多目标情况来说，检测能力远远不如互谱直方图法；
[0073] (3)与矢量阵常规波束形成方法相比，新方法增加了谱峰筛选的过程。因此新方法 不仅大大减小了实时处理的计算量还有效地提高了方位估计的准确程度，因此本发明方法 具有更好的实用性；
[0074] (4)与单矢量左右艇分辨方法相比，本发明方法具有更大的物理孔径，因此具有较 高的物理分辨率。
【附图说明】
[0075] 图1为本发明【背景技术】设及的线列阵远场测向左右艇模糊示意图；
[0076] 图2为本发明【具体实施方式】一中阵列信号处理几何模型图；
[0077] 图3为本发明实施方式一到五的整体实现流程框图；
[0078] 图4为本发明【具体实施方式】一中声压信号常规波束形成(CBF)流程图；
[0079] 图5为本发明【具体实施方式】一中互谱直方图处理方法流程图；
[0080] 图6为本发明仿真实验中声压信号常规波束形成(CBF)输出空间谱矩阵PDut(0);
[0081] 图7为本发明仿真实验中声压信号常规波束形成输出空间谱矩阵PDut(0)的一个时 间切片；
[0082] 图8为本发明仿真实验中双向α滤波前后空间谱矩阵P〇ut(0)与Ρα(θ)在同一时刻的 时间切片；
[0083] 图9为本发明仿真实验中左右艇分辨处理后输出的无模糊空间谱矩阵Pnut(0) ' ；
[0084] 图10为本发明仿真实验中无模糊空间谱矩阵Ρ?*(Θ)'的一个时间切片；
[0085] 图11为本发明仿真实验中常规互谱直方图方法处理后得到的空间谱时间方位历 程图。
【具体实施方式】
[0086] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
【具体实施方式】 [0087] 一：
[0088] 本实施方式的一种基于声压、振速互谱法的矢量阵左右艇分辨方法，结合图2和图 3所示，所述方法通过W下步骤实现：
[0089] 步骤一、对多元阵列接收到的声压信号变为频域信号后，作频域宽带常规波束形 成处理，得到原始空间谱矩阵PDut(e);其中，空间谱矩阵是指输出的空间谱类型的矩阵；
[0090] 步骤二、对步骤一得到的原始空间谱矩阵PDut(0)进行双向一阶递归滤波处理，得 到平滑后的空间谱Pa(e);
[0091] 步骤Ξ、根据步骤二得到的平滑空间谱Ρα(θ)，在平滑空间谱Ρα(θ)的基础上提高化 个分贝得到谱峰筛选的口限时τ(θ);扫描方位角度0 = [0°，1°，2°，一，360°]，将原始空间谱 矩阵P〇ut(0)中所有高于口限Pdt(0)的方位角度Θ筛选出来，并分别记为目标信号方位角θι 02…0k;k表示测量空间内的目标方位角度的个数；
[0092] 步骤四、根据步骤Ξ筛选出的目标信号方位角θι θ2…0k，在每个目标信号方位 上对声压、振速的频谱信号进行波束形成；
[0093] 步骤五、根据步骤四波束形成结果，将步骤一中间步骤的傅里叶变换(简称为FFT) 后输出的频域声压信号分别与频域振速VX、振速VY做互谱运算、方位估计W及直方图统计 方位得到估计结果4爲.·. 0;;
[0094] 步骤六、根据步骤五得到的估计结果為a ... 4进行目标的左右艇判决，即判 1 2 k 断估计值与扫描方位差的绝对值4-巧是否小于等于估计值与映像方位差的绝对值
[00M]若是，则保留该目标信号方位；
[0096] 否则，认为是目标的映像方位的伪峰06,将其剔除；
[0097] 步骤屯、利用步骤六保留的目标信号方位的结果，对于确定为映像方位的伪峰0e， 带入步骤二中平滑后的空间谱Ρα(目）中得到Ρα(目e)，并利用Ρα(目e)代替原始空间谱矩阵Pout (9e)中输出功率；由此得到无模糊的空间谱矩阵Pnut(0)'。
[009引【具体实施方式】二：
[0099] 与【具体实施方式】一不同的是，本实施方式的基于声压、振速互谱法的矢量阵左右 艇分辨方法，步骤一所述对多元阵列接收到的声压信号作频域宽带常规波束形成(CBF)处 理，得到原始空间谱矩阵P?t( Θ)的过程为，
[0100] 步骤一一、对接收到的声压、振速时域信号进行快速傅里叶变换(简称为FFT)转换 为频域信号；
[0101] 步骤一二、对频域信号工作频段带宽为B范围内各个频点信号分别进行常规波束 形成(简称为CB巧处理，得到各频点的空间谱，并输出;并将空间谱表示为P(fi，0)，且
[0102] P(fi，9)=a(fi，0)H R(fi)a(fi，0);式中，
[0103] B为信号带宽，B = fh-fi，fi为工作频段下限频率，fh为工作频段上限频率，fi为快速 傅里叶变换(简称为FFT)对于信号频带B内的第i个频率，i = l，2-L，L为信号带宽納快速 傅里叶变换(简称为FFT)对应的子带个数，L = B/Af，B为信号带宽，Af为FFT计算时的频率 分辨率，f f i《f h，a (f i，Θ)为频率f i对应的导向矢量；
[0104] Η表示求共辆转置；
[0105] Θ为0~360°的方位角度；
[0106] R(fi)表示频率fi的互谱密度矩阵，且R(fi)=E(X(f〇X(fi)H);
[0107] 步骤一 Ξ、把各频点的空间谱P(fi，0)累加，得到常规宽带波束输出空间谱，即原 始空间谱输出矩阵Pnut，其中：

【具体实施方式】 [0108] Ξ:
[0109] 与【具体实施方式】一或二不同的是，本实施方式的一种基于声压、振速互谱法的矢 量阵左右艇分辨方法，步骤二所述对步骤一得到的原始空间谱矩阵PDut(0)进行双向一阶递 归滤波处理，得到平滑后的空间谱Ρα( Θ )的过程为，
[0110] 步骤二一、采用双向一阶递归滤波器，即α滤波器对原始空间谱矩阵PDut(0)进行平 滑滤波处理;同时提取原始空间谱矩阵P?t(Θ)的谱峰；
[0111] 步骤二二、将原始空间谱矩阵P〇ut(0)进行双向α滤波得到Ρα(θ)，根据滤波系数的 可调性将滤波系数调小，使得滤波效果越明显，得到的Pa(e)也越平坦。
【具体实施方式】 [0112] 四：
[0113] 与【具体实施方式】Ξ不同的是，本实施方式的基于声压、振速互谱法的矢量阵左右 艇分辨方法，步骤四所述根据步骤Ξ筛选出的目标信号方位角01 02…0k，在每个目标信 号方位上对声压、振速的频谱信号进行波束形成；W及步骤五所述根据步骤四波束形成结 果，将步骤一中间步骤傅里叶变换后(简称为FFT)输出的频域声压信号分别与频域振速VX、 振速VY做互谱运算、方位估计W及直方图统计方位得到估计结果4 A ... 4的过程为，
[0114] 第一，利用互谱直方图方法在各个扫描点处进行矢量方位估计，Κρ(ω)表示由声 压、振速时域信号经傅里叶变换(简称为FFT)输出的声压谱，Κνχ(ω)表示X轴振速谱，Wvy (ω )表示y轴振速谱;wp(0k，ω )为对应方向的声压信号的波束形成(简称为CBF)的加权向 量，则在谱峰方位波束形成的输出写为：
[0118] 第二，在谱峰方位波束形成的输出包含0k方向来波的贡献，和波束宽度范围内其 它方向来波的贡献;若波束形成器为理想空域滤波器，即只有方向的来波通过，其余方向 的来波被完全滤掉，则经过方向波束形成空域滤波后的阵列声强为：
[0119]
[0120] 式中，的，份)W及vL。（巧，0)中*表示共辆运算；
[0121] 则频域复声强器方位估计Θ的公式为：
[0122]
[0123] 第Ξ，对步骤四得到的波束形成结果，即集合0(0k，co)，做直方图估计，得：
[0124]
[0125] 则^^为阵列互谱直方图法得到的估计方位值;其中，F(0)为θ的概率密度函数，Q为 直方图的分割总数，θι为每个分割区的中屯、方位值；
[0126] 第四，在每个谱峰方位角θι θ2…都进行直方图统计，得到相应估计方位：
[0127] 白I每…句。
【具体实施方式】 [0128] 五：
[0129] 与【具体实施方式】一、二或四不同的是，本实施方式的一种基于声压、振速互谱法的 矢量阵左右艇分辨方法，步骤屯所述利用步骤六保留的目标信号方位的结果，对于确定为 映像方位的伪峰θβ，带入步骤二中平滑后的空间谱Ρα(θ)中得到Ρα(θ6)，并利用Ρα(θ6)代替原 始空间谱矩阵Pnut(0e)中输出功率；由此得到无模糊的空间谱矩阵PDUt(0)'的过程是指，
[0130] 根据步骤六中方位的左右艇判决结果，在原始空间谱矩阵Pnut(0)上对判决出的映 像方位进行抑制，具体为:利用步骤二中双向一阶递归滤波器得到平滑后的空间谱Ρα(9)， 在原始空间谱矩阵Pout(e)中映像方位的功率谱替换为平滑后的空间谱Ρα(θ)中对应方位的 功率谱，实现对映像方位的抑制，得到左右艇无模糊的空间谱输出矩阵PDUt(0) '。
【具体实施方式】 [0131] 六：
[0132] 与【具体实施方式】五不同的是，本实施方式的一种基于声压、振速互谱法的矢量阵 左右艇分辨方法，步骤一所述对多元阵列为Μ元阵元的矢量阵列，其在t时刻的陈列输出表 示为：
[0133] X(t) = [xi(t) ,X2(t),,XM(t)]T
[0134] =A(白）S(t)+N(t)
[0135] 其中，S(t)表示源信号矢量，S(t) = [si(t)，S2(t)，…，sk(t)]T;k表示测量空间内 的目标个数；
[0136] N(t)表示阵列接收到的噪声矢量，N(t) = [ni(t)，ri2(t)，···，riM(t)]T;
[0137] Α(θ)表示阵列的信号方向矩阵，A(6)=la(",U(化
[0138] a(目k)表示阵列波束形成导向矢量―满，...，0-此减r;
[0139] 当测量空间内的目标个数为1，即k = l时，陈列输出简化为：
[0140] X(t) = [xi(t) ,X2(t),,XM(t) ]T=a(目s)S(t)+N(t)。
[0141] 实施例1:
[0142] 下面结合本发明的算法流程图3对本发明做更详细地描述。按照图2所示的几何关 系建立数学模型，将一个Μ元阵列在t时刻的阵列输出表示为如下形式：
[0143]
(1)
[0144] 其中各项变量定义如下：
[0145] S(t) = [si(t)，S2(t)，…，sk(t)]T:源信号矢量;k:现慢空间内的目标个数；
[0146] N(t) = [ni(t)，ri2(t)，···，nM(t)]T:阵列接收到的噪声矢量；
[0147] Λ例=111("|)，3(":)，...，3仪小阵列的信号方向矩阵；
[014引a权)=[l，e狐，...，6-芦-化叫；阵列波束形成导向矢量；
[0149] 考虑一个目标的情况，则可W简化为：
[0150] X(t) = [xi(t),X2(t),...,XM(t)]T=a(目 s)S(t)+N(t) (2)
[0151] -般阵元域加权波束输出可W表示为：
[0152] y(t)=W^(t) (5)
[015；3]式中，ΚΗ(θ) = [ωι(θ)，ω2(θ)，···，ωΜ(θ)]τ为波束形成权矢量，ωι(θ)为第i号阵 元的加权系数。Θ是波束的指向角，权向量的模表示对阵元输出信号的幅度加权，相角表示 对阵元输出信号的相位延迟。此时波束形成输出的平均功率或称空间谱可表示为：
[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)是声矢量阵列协方差矩阵，E[ ·]表示求数学平均，对于窄 带信号常规波束形成的权向量和方位谱公式如下：
[0156] W(目）=a(目） (7)
[0157] P(0)=a(9)HRa(0) (8)
[0158] 在被动测量过程中处理的目标信号往往是宽信号，处理宽带信号可W获得较窄带 信号更为丰富的目标信息。宽带波束形成需将信号分为若干窄带信号进行子带处理，可通 过FFT实现。假设FFT分解中分解为L个子带，第i个子带的波束形成权矢量可表示为：
[0159] W(fi,0)=a(fi,0) (9)
[0160] 第i个子带的波束输出的能量：
[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)，为频率fi的互谱密度矩阵，E[ ·]为求N次数学平均， N为观测时间内的独立快拍数，平均相当于是一个时间上的积分，可W提高互谱密度矩阵R 的估计精度和稳定度。X(fi) = [Xl(fi)，X2化）一XM(fi)]T，为各阵元接收信号在频率fi处的 频谱值。把每个子带的能量累加就得到了宽带波束输出：
[0163]
(…
[0164] 本发明给出的一种基于阵列互谱直方图的左右艇分辨方法是指在利用声压信号 得到宽带空间谱PDut(0)的基础上，提取出谱峰的方位角，即各个目标的真实方位W及映像 方位。将有效谱峰值储存起来作为扫描方位点。利用互谱直方图方法在在各个扫描点处进 行矢量方位估计，如果互谱直方图方法的估计值与该扫描点的差值小于该估计值与扫描点 的映像方位的差值时，则认为该谱峰为目标的真实方位，否则认为是目标的映像方位，在空 间谱P?t(0)上对映像方位进行平滑抑制得到左右艇无模糊的空间谱Ρ?*(θ) '。
[01化]实施例2:
[0166] 所述步骤2采用双向一阶递归滤波器(α滤波器)提取出有效的谱峰。【具体实施方式】 是:将P〇ut(0)进行双向α滤波得到Ρα(θ)，滤波系数可调，滤波系数越小则滤波效果越明显， 得到的Ρα(目）也越平坦。Dt为谱峰筛选的口限在Ρα(目）的基础上提高化分贝得到谱峰筛选的 Π 限时Τ(θ):
[0167] Pdt(目）=Ρα(目）+Dt (12)
[016引扫描所有角度Θ = [0°，1°，2°，…，360°]角，将所有高于口限PDT(目）的方位目筛选出 来。
[0169]其它步骤及参数与实施例1相同。
[0170] 仿真实验：
[0171] 图6至图10是双目标情况下常规宽带波束形成和本发明提出方法的性能比较。条 件:8元阵，设阵元间距为0.75m( 1曲Z半波间距），工作频带为800~1200化，FFT频率分辨率 为IHz，积分时间Is,目标1方位从60°至120°，目标2方位从120°至60°，信噪比均为-10地，观 察时间长度为30s。W常规波束形成为基础对比分析基于声压、振速互谱法的矢量阵左右艇 分辨方法的处理效果。图6是声压信号经过常规波束形成(CBF)处理输出的空间谱P〇ut(0)矩 阵，即常规波束形成估计的方位历程图。图7为图6的一个时间切片，图7中可W清晰明了地 观察到，四个谱峰分别两两关于180°对称，实际上运四个谱峰中仅有两个真实方位，另外两 个为其各自的映像方位。为了有效而自动地提取出中空间谱Pout ( Θ )中的谱峰方位，对Pout (9)的每个时间切片进行双向α滤波，滤波后的结果如图8所示。图9为经过基于声压、振速互 谱法的矢量阵左右艇分辨方法的处理输出的无模糊空间谱矩阵PDut(0)'。图10为图9的一个 时间切片，从图中可W观察到两个映像方位经过伪峰抑制处理有效地被削减了。对比分析 图6和图9可知经过本文的左右艇分辨算法处理过后可W有效地分辨出真是信号的方位与 映像方位，并且通过伪峰抑制映像信号的空间谱输出，图9中处理后映像方位的波束输出明 显降低了。图11为相同实验条件下利用常规的互谱直方图方法对信号进行处理的结果，由 于常规的互谱直方图方法对同频信号的多目标分辨功能较差，原本存在的两个不同方位的 同频信号合并为一个目标，输出的方位也为合并后的方位，在此条件下相比本文的左右艇 分辨方法具有较明显的优势。
[0172] 本发明属于矢量拖曳阵信号处理领域对目标的左右艇分辨方法领域。现有矢量阵 的左右艇分辨存在准确度低的问题。本发明对矢量阵列接收到的声压信号作频域宽带常规 波束形成处理，得到空间谱输出矩阵;进行双向一阶递归滤波得到平滑后的空间谱;筛选出 空间谱输出矩阵中高于口限的方位角;进行波束形成;将后输出的频域声压信号分别与频 域振速、振速做互谱运算、方位估计W及直方图统计方位;进行目标的左右艇判决;若确定 为映像方位的伪峰，在相应的伪峰方位用平滑后的空间谱代替原空间谱中输出功率。本发 明具有更好的实用性。
[0173] 本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域 技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但运些相应的改变和变形都应属于 本发明所附的权利要求的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于声压、振速互谱法的矢量阵左右舷分辨方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 对矢量阵列接收到的声压信号转换为频域信号后，作频域宽带常规波束形成处理， 得到原始空间谱矩阵Ρ_(θ);其中，空间谱矩阵是指输出的空间谱类型的矩阵； (2) 对步骤（1)得到的原始空间谱矩阵Ρ_(θ)进行双向一阶递归滤波处理，得到平滑后 的空间谱Ρα(θ); (3) 根据步骤(2)得到的平滑空间谱Ρα(θ)，在平滑空间谱ρα(θ)的基础上提高DT个分贝 得到谱峰筛选的门限P DT(0);扫描方位角度0 = [〇°，1°，2°，"_，36〇°]，将原始空间谱矩阵卩咖 (Θ)中所有高于门限PDT(0)的方位角度Θ筛选出来，并分别记为目标信号方位角θ: θ2…0k; k表示测量空间内的目标方位角度的个数； (4) 根据步骤(3)筛选出的目标信号方位角θ: θ2…0k，在每个目标信号方位上对声 压、振速的频谱信号进行波束形成； (5) 根据步骤(4)波束形成结果，将步骤（1)中获得的声压信号分别与X轴振速信号、y轴 振速信号做互谱运算、方位估计以及直方图统计，得到方位估计结果4 4…4; (6) 根据步骤(5)得到的估计结果^ …0进行目标的左右舷判决，即判断估计值 与扫描方位差的绝对值4-忿是否小于等于估计值与映像方位差的绝对值4-(360 - 4): 若是，则保留该目标信号方位； 否则，认为是目标的映像方位的伪峰θβ，将其剔除； (7) 利用步骤(6)保留的目标信号方位的结果，对于确定为映像方位的伪峰，带入步骤 ⑵中平滑后的空间谱Ρα(θ)中得到Ρα(θ丄并利代替原始空间谱矩阵ρ_(θ θ)中输 出功率；由此得到无模糊的空间谱矩阵Ρ_(θ) '。2. 根据权利要求1所述一种基于声压、振速互谱法的矢量阵左右舷分辨方法，其特征在 于:所述步骤(1)中对多元阵列接收到的声压信号转换为频域信号后，作频域宽带常规波束 形成处理，得到原始空间谱矩阵Ρ_( Θ)的过程为： (1.1) 对接收到的声压、振速时域信号进行快速傅里叶变换转换为频域信号； (1.2) 对频域信号工作频段带宽为B范围内各个频点信号分别进行常规波束形成处理， 得到各频点的空间谱，并输出;并将空间谱表示为ρα^θ)，且 P(fi，0)=a(fi，0)H 式中， B为信号带宽，B = fh-fi，fi为工作频段下限频率，fh为工作频段上限频率，fi为快速傅里 叶变换对于信号频带B内的第i个频率，1 = 1，2-丄儿为信号带宽8内快速傅里叶变换对应的 子带个数，L = Β/ Δ f，B为信号带宽，Δ f为FFT计算时的频率分辨率，f 1彡f i彡fh，a(f i，Θ)为 频率fi对应的导向矢量； Η表示求共辄转置； Θ为0~360°的方位角度； R(fi)表示频率fi的互谱密度矩阵，且R(fi)=E(X(fi)X(fi)H); (1.3) 把各频点的空间谱Ρα^θ)累加，得到常规宽带波束输出空间谱，即原始空间谱输 出矩阵PQUt，其中，:P"" f (化土；/乂/;，<9)。 ?=13. 根据权利要求1或2所述一种基于声压、振速互谱法的矢量阵左右舷分辨方法，其特 征在于:所述步骤(2)中对得到的原始空间谱矩阵Ρ_(θ)进行双向一阶递归滤波处理，得到 平滑后的空间谱Ρ α( Θ)的过程为： (2.1) 采用双向一阶递归滤波器对原始空间谱矩阵Ρ〇α(θ)进行平滑滤波处理；同时提 取原始空间谱矩阵P?t (Θ)的谱峰； (2.2) 将原始空间谱矩阵?_(0)进行双向<1滤波得到?40)，将滤波系数调小。4. 根据权利要求3所述一种基于声压、振速互谱法的矢量阵左右舷分辨方法，其特征在 于:所述步骤(4)对筛选出的目标信号方位角θ: θ2…0k，在每个目标信号方位上对声压、 振速的频谱信号进行波束形成；以及步骤(5)所述根据步骤(4)波束形成结果，将步骤(1)输 出的声压信号分别与X轴振速信号、y轴振速信号做互谱运算、方位估计以及直方图统计方 位得到估计结果?爲…4的过程为， 1) 利用互谱直方图方法在各个扫描点处进行矢量方位估计，以Ρ(ω)表示由声压信号 经傅里叶变换输出的声压谱，以νχ( ω )表示X轴振速信号振速谱，以Vy( ω )表示y轴振速信号 振速谱;wP(0k，ω )为对应0k方向的声压信号的波束形成的加权向量，则在谱峰方位波束形 成的输出写为： Vcbf^- , ω) = {9k, ω)ρ(?) ^CBFx vv?.))ν,(?.)) 、r =丨JA M)、 2) 在谱峰方位波束形成的输出包含向来波的贡献，和波束宽度范围内其它方向来 波的贡献;若波束形成器为理想空域滤波器，即只有向的来波通过，其余方向的来波被 完全滤掉，则经方向波束形成空域滤波后的阵列声强为： 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，(60)以及_/_(%.，#)中*表示共辄运算； 则频域复声强器方位估计Θ的公式为：3) 对步骤四得到的波束形成结果，即集合0(0k，co)，做直方图估计，得： θι,=/χθ[(0)) = λγθ；ηθ): Q /=1 则??为阵列互谱直方图法得到的估计方位值;其中，F(0)为θ的概率密度函数，Q为直方 图的分割总数，每个分割区的中心方位值； 4) 在每个谱峰方位角θ: θ2…0k都进行直方图统计，得到相应估计方位： Λ. .Λ. .Λ Α βι '· β5. 根据权利要求1、2或4所述一种基于声压、振速互谱法的矢量阵左右舷分辨方法，其 特征在于:所述步骤(7)利用保留的目标信号方位的结果，对于确定为映像方位的伪峰Θθ， 带入步骤(2)中平滑后的空间谱Ρα(θ)中得到pa(0e)，并利用p a(0e)代替原始空间谱矩阵Pcmt 队)中输出功率；由此得到无模糊的空间谱矩阵ρ_(θ)'的过程是： 根据步骤(6)中方位的左右舷判决结果，在原始空间谱矩阵Pc>ut(0)上对判决出的映像 方位进行抑制，具体为:利用步骤(2)中双向一阶递归滤波器得到平滑后的空间谱Ρα(θ)，在 原始空间谱矩阵Ροα(θ)中映像方位的功率谱替换为平滑后的空间谱Ρ α(θ)中对应方位的功 率谱，实现对映像方位的抑制，得到左右舷无模糊的空间谱输出矩阵ρ_(θ) '。6.根据权利要求5所述一种基于声压、振速互谱法的矢量阵左右舷分辨方法，其特征在 于:所述步骤⑴中对多元阵列为Μ元阵元的矢量阵列，其在t时刻的陈列输出表示为： X(〇 = [v. (/)} =A(昨(小-N(，） 其中，S⑴表示源信号矢量，S(t) = [si(t)，S2(t)，…，sk(t)]T;k表示测量空间内的目标 个数； N(t)表示阵列接收到的噪声矢量，N(t) = [m(t)，n2(t)，···，nM(t)]T; Α(θ；)表不阵列的信号方向矩阵，A⑷=),a(i'L),…,a(}j; aW表示阵列波束形成导向矢M，a(",.)=[U .…叫;; 当测量空间内的目标个数为1，即k= 1时，陈列输出简化为： X(t) = [xi(t)，X2(t)，…，XM(t) ]T = a(0s)S(t)+N(t)。
【文档编号】G01S3/802GK106066468SQ201610352531
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年5月25日 公开号201610352531.6, CN 106066468 A, CN 106066468A, CN 201610352531, CN-A-106066468, CN106066468 A, CN106066468A, CN201610352531, CN201610352531.6
【发明人】梅继丹, 朱英慧, 孙大军, 马超, 张珂
【申请人】哈尔滨工程大学