一种宽带相干模基信号处理方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种宽带相干模基信号处理方法及系统，所述方法包含：步骤101）获得B个频点的阵列接收数据，对全频带的数据做波束归一化，相干形成综合接收数据向量；步骤102）获得B个频点的建模向量，并对全频带的建模向量相干形成综合期望导向矢量；步骤103）依据所述的综合接收数据向量和综合期望导向矢量，得到最优导向矢量；步骤104）依据最优导向矢量获得最终的目标定位结果。所述步骤102）为：遍历声源可能出现的位置，输入建模工具得到B个频点的加权向量，将B个加权向量累接，得到综合期望导向矢量。步骤103）包含：将综合接收数据向量和综合期望导向矢量做相关处理并遍历所有可能的声源位置，得到判决函数；判决函数的最大值的位置为声源位置。
【专利说明】一种宽带相干模基信号处理方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明属于声纳数字信号处理领域，特别涉及一种宽带相干模基信号处理方法。【背景技术】
[0002]在声纳系统中，根据工作原理的不同，分为主动声纳和被动声纳。被动声纳本身不发射声信号，只是被动地接受可疑目标的辐射噪声，以进行目标检测，继而进行目标声源的定位以及识别。
[0003]被动声纳声源定位需要空间、带宽等信息，以得到较低的旁瓣，并提高对环境失配的鲁棒性以及对噪声的抑制能力。海洋传播信道是频率变化的，信道的衰落与时散特性在本质上是由于海洋环境地声属性的频率依赖性引起的。对固定的海域，采用单频或窄带信号进行模基处理可能会导致分辨率低、稳健性差及唯一性等问题，而用足够宽的宽带信号可以得到更优的处理结果。
[0004]宽带信号处理方法可以分为两种:一种是传统的非相干方法，另一种是相干方法。非相干的处理方法利用了一个频点内的空间相干性，但没有考虑频率之间的相干信息，多个频率点的模糊表面直接进行实数域平均。目前的处理算法大多采用这种空间相干处理、频率间非相干处理的方法。而相干处理方法则考虑了频率间的互相关信息，并选择与频率有关的加权系数进行加权平均，由于考虑到了频率间的相干性，可以更充分地利用水声传播特性，从而提高定位的准确度。目前，对宽带相干处理的研究是一个热门课题。。
[0005]最初的宽带相干模基处理算法是在时域实现的，在文献I “C.S.Clay.0ptimumtime domain signal transmission and source localization in a waveguide.J.Acoust.Soc.Am., 81:660-664, 1987”中，最早实现了时域的宽带相干匹配场处理，他提出用测量得到的脉冲响应与建模得到脉冲响应相匹配，以此来估计声源位置，他还将此方法扩展到多阵元的互相关处理。文献2 “R.K.Brienzo, ff.S.Hodgkiss.Broadbandmatched-f ield processing.J.Acoust.Soc.Am., 94:2821-2831, 1993” 使用该算法在试验中成功地定位了 9km处的爆炸声源。但是这种算法需要预先知道声源的频谱，这在大多被动声纳的应用条件下是不可能的。在文献3 “P.Hursky, M.B.Porter, Μ.Siderius.High frequency(8~16hz)model-based source localization.J.Acoust.Soc.Am., 115:3021-3032, 2004”中，研究了高频段(IkHz以上)时域宽带MFP的性能，由于高频段对于参数扰动更加敏感，声源定位更加困难。他们首先假设声源波形已知，从而使用匹配滤波的方法得到信道的脉冲响应，与建模得到的脉冲响应相匹配，即可得到声源位置的估计，当波形未知时，他们将两个水听器接收到的信号做互相关处理，从而消除了声源波形对处理器的影响，文中还给出了声源深度和距离的跟踪结果。
[0006]文献 4 “E.K.Westwood.Broadband matched-field source localization.J.Acoust.Soc.Am.,91 (5): 2777-2789, May 1992”在频域实现了宽带相干模基处理，与时域宽带相干处理的思想一致，在频域中，也是将测量得到的脉冲响应与建模得到的脉冲响应做相关处理。与时域的方法不同，处理器输出不再是时域的相关函数的最大值，而是频域互相关的相干累加。由于该处理器在每个频点做了相关处理，所以不需要知道声源的频谱信息。文献4指出，宽带相干处理器好于非相干处理器，在相干处理器中，去掉自相关的部分(即CSDM中的对角项)效果会更好，此外，他还讨论了阵孔径、信号带宽对处理器性能的影响，使用更多的阵元、更大的带宽、更大的孔径将会获得更好地定位结果。文中还给出了5000m深海的试验结果，使用200米锚底垂直阵，成功的将声源跟踪到了 42km的距离。
[0007]文献5 uZ.-H.Michalopoulou and Μ.B.Porter.Matched-fieldprocessing for broad—band source localization.1EEE Journal of Oceanicengineering, 21:384-392, 1996”提出了一种直接匹配声场的宽带相干处理方法(阵元归一化宽带相干匹配处理器，简称MP算法)，区别于之前的匹配互相关的方法，该算法将阵列接收到的各频率的声场累接起来，形成一个超级向量，由于频率间的相位差影响，直接的声场匹配效果很差，他们提出了一种归一化的方法，每个频率的向量都以第一个阵元为参考归一化，然后将各频率的向量累接起来，形成超级向量，以消除频率间相位差的影响，此方法可以直接用于MVDR等自适应算法。他们将这种宽带相干的方法用于试验数据，结果表明MVDR宽带相干处理器对声源距离和深度的跟踪有效率达到90%，而非相干的MVDR仅为10%。但是这种方法在低信噪比时，归一化的效果明显变差，从而不能消除声源的影响。
[0008]本发明的技术方案所采用的技术手段有效的克服了文献5存在的技术缺陷。现有技术的模基信号的处理方法如图1所示。
【发明内容】
[0009]本发明目的在于，为克服现有宽带信息的非相干处理带来的处理损失，在低信噪比的情况下目标检测能力下降，提出一种宽带相干模基处理方法及系统。
[0010]本发明所述的波束归一化宽带模基处理算法，将每个频点的阵列信号用波束形成后的参考向量归一化，从而降低处理器的最小可检测信噪比，提高检测性能。
[0011]为实现上述目的，本发明提供了一种宽带相干模基信号处理方法，所述方法包含:
[0012]步骤101)获得B个频点的阵列接收数据，对全频带的数据做波束归一化，相干形成综合接收数据向量；
[0013]步骤102)获得B个频点的建模向量，并对全频带的建模向量相干形成综合期望导向矢量；
[0014]步骤103)依据所述的综合接收数据向量和综合期望导向矢量，得到最优导向矢量;
[0015]步骤104)依据最优导向矢量获得最终的目标定位结果。
[0016]上述技术方案中，所述步骤101)具体为:对接收的B个频点的阵列接收数据进行快速傅里叶变换，获得各个单频点的数据；对B个频点的数据依次进行波束形成和归一化处理，形成综合接收数据向量；其中，B取值为大于等于I。累积L个快拍的阵列接收数据构造阵列协方差矩阵。
[0017]上述技术方案中，所述步骤101)进一步包含如下子步骤:
[0018]步骤101-1)用线阵接收空间信号，得到一个快拍时刻N个阵元的时域信号；
[0019]步骤101-2)对时域数据做快速傅里叶变换，得到B个频点的阵列数据(X1, x2，...，XB)，其中第i个频点的阵列数据Xi表示如下
[0020]X1-Exil, xi2,...，XiJ
[0021]其中Xij表示第j个阵元第i个频点的接收数据，T表示转置；
[0022]步骤101-3)对B个频点的数据做波束形成，得到第i个频点的波束数据Xiibeam为
[0023]Xijbeam=Xi^ei
[0024]其中，e,表示第i个频点的阵列方位补偿向量，由阵元位置、目标方位及信号频率决定;
[0025]将此波束数据作为每个频点的参考信号(XlMf，X2ref, , XBref)，即
[0026]Xiref=Xijbeaffl
[0027]以此参考信号对每个频点的阵列数据(X1, X2，...，Xb)做归一化，得到归一化后的
数据如下式:.一-......一..F FY
[0028](木
【权利要求】
1.一种宽带相干模基信号处理方法，所述方法包含: 步骤101)获得B个频点的阵列接收数据，对全频带的数据做波束归一化，相干形成综合接收数据向量，即包含了全频带信息的接收数据向量； 步骤102)获得B个频点的建模向量，并对全频带的建模向量相干形成综合期望导向矢量，即包含了全频带信息的期望导向矢量； 步骤103)依据所述的综合接收数据向量和综合期望导向矢量，得到最优导向矢量； 步骤104)依据最优导向矢量获得最终的目标定位结果。
2.根据权利要求1所述的宽带相干模基信号处理方法，其特征在于，所述步骤101)具体为:对接收的B个频点的阵列接收数据进行快速傅里叶变换，获得各个单频点的数据；对B个频点的数据依次进行波束形成和归一化处理，形成综合接收数据向量；累积L个快拍的阵列接收数据构造阵列协方差矩阵。
3.根据权利要求1所述的宽带相干模基信号处理方法，其特征在于，所述步骤101)进一步包含如下子步骤: 步骤101-1)用线阵接收空间信号，得到一个快拍时刻N个阵元的时域信号； 步骤101-2)对时域数据做快速傅里叶变换，得到B个频点的阵列数据(X1, X2,...,Xb),其中第i个频点的阵列数据Xi表示如下
X「[Xil, Xi2,...，XiN] 其中Xu表示第j个阵元第i个频点的接收数据，τ表示转置； 步骤101-3)对B个频点的数据做`波束形成，得到第i个频点的波束数据XiL为
Xi,beam=Ci*ei 其中，^表示第i个频点的阵列方位补偿向量，由阵元位置、目标方位及信号频率决定； 将此波束数据作为每个频点的参考信号(xlMf，X2ref,xBref)，即
Xiref ^i, beam 以此参考信号对每个频点的阵列数据(X1, x2，...，Xb)做归一化，得到归一化后的数据(无,^，…,?)，如下式: (Y Y V \ _ ( \.A B \
|,λ25---5Λ η) — \,，…，7
^lref 人 2mf ^Bref 步骤101-4)将B个频点归一化后的数据($,?,...,累接起来，形成一个长度为B*N的综合接收数据向量Zel =[尤，无，…，，若记:
A AΛj,
Xi =[Xll9Xi25...5Xliv] 其中&Xlj表示第j个阵元第i个频点的归一化后的数据，则扩展后的归一化向量:
ΛΛΛΛΛΛΛΛΛ 步骤101-5)接收L个快拍时刻的数据，分别按步骤101-2)-101-4)得到每个快拍的综合接收数据向量，全部L个快拍的综合接收数据向量记为X_n ；
Xe，all [Xel，Xe2，...XeL]所述步骤101-1)是接收一个快拍时刻的数据，需要重复L次，步骤101-5)即是这个意思； 步骤101-6)使用L个快拍的综合接收数据向量形成阵列协方差矩阵 R = E[X^1Xlu](I) 其中，E表示做统计平均，H表示共轭转置。
4.根据权利要求1所述的宽带相干模基信号处理方法，其特征在于，所述步骤102)具体步骤为:遍历声源可能出现的位置，并结合海洋环境参数，输入建模工具得到B个频点的加权向量，将B个加权向量累接起来，得到综合期望导向矢量。
5.根据权利要求1所述的宽带相干模基信号处理方法，其特征在于，所述步骤103)进一步包含: 步骤103-1)将所述的综 合接收数据向量和综合期望导向矢量做相关处理得到该声源位置的判决函数值，并遍历所有可能的声源位置，得到关于全部声源位置的判决函数如下:
6.一种宽带相干模基信号处理系统，所述系统包含: 综合接收数据向量获取模块，用于获得B个频点的阵列接收数据，对全频带的数据做波束归一化，相干形成综合接收数据向量； 综合期望导向矢量获取模块，用于获得B个频点的建模向量，并对全频带的建模向量相干形成综合期望导向矢量； 综合处理模块，用于依据所述的综合接收数据向量和综合期望导向矢量，得到最优导向矢量；并依据最优导向矢量获得最终的目标定位结果。
7.根据权利要求6所述的宽带相干模基信号处理系统，其特征在于，所述综合接收数据向量获取模块对接收的B个频点的阵列接收数据进行快速傅里叶变换，获得各个单频点的数据；对8个频点的数据依次进行波束形成和归一化处理，形成综合接收数据向量；累积L个快拍阵列接收数据构造阵列协方差矩阵。
8.根据权利要求6所述的宽带相干模基信号处理系统，其特征在于，所述综合接收数据向量获取模块进一步包含: 接收子模块，用于用线阵接收空间信号，得到一个快拍时刻N个阵元的时域信号； 第一处理子模块，对时域数据做快速傅里叶变换，得到B个频点的阵列数据(X1, X2,, Xb)，其中第i个频点的阵列数据Xi表示如下
X「[Xil, Xi2,...，XiN] 其中Xu表示第j个阵元第i个频点的接收数据，τ表示转置； 第二处理子模块，用于对B个频点的数据做波束形成，得到第i个频点的波束数据Xi，beam 其中，ei表示第i个频点的阵列方位补偿向量，由阵元位置、目标方位及信号频率决定;将此波束数据作为每个频点的参考信号(xlMf，X2ref,xBref)，即
Xiref ^i, beam 以此参考信号对每个频点的阵列数据(X1, x2，...，Xb)做归一化，得到归一化后的数据戌，乏2，...,名),如下式:
9.根据权利要求6所述的宽带相干模基信号处理系统，其特征在于，所述综合期望导向矢量获取模块遍历声源可能出现的位置，并结合海洋环境参数，输入建模工具得到B个频点的加权向量，将B个加权向量累接起来，得到综合期望导向矢量。
10.根据权利要求6所述的宽带相干模基信号处理系统，其特征在于，所述综合处理模块进一步包含: 相关处理子模块，用于将所述的综合接收数据向量和综合期望导向矢量做相关处理得到并遍历所有可能的声源位置，得到关于声源位置的判决函数如下:
Pcoh-conv( Θ , r，z) =We11 ( θ , r, z)Rwe( θ , r, ζ) 声源定位模块’用于将声源位置的判决函数？。。!?^^，!.^)的最大值出现的位置确定为声源位置的估计值。
【文档编号】G01S7/52GK103513249SQ201210210580
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年6月20日 优先权日:2012年6月20日
【发明者】巩玉振 申请人:中国科学院声学研究所