一种基于频率方差加权的时延差估计方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于频率方差加权的时延差估计方法，用于估计水声定位系统中不同接收阵元接收的目标辐射信号的时延差，包含：求取若干次每一个频率单元的时域相关谱以及相应的初始时延差；计算得到的每一个初始时延差对应的频率方差，并对频率方差求倒数形成加权因子；累加每一初值时延差对应的加权因子得到最终时域相关谱，从最终时域相关谱中求取最终时延差。本发明采用引导信号对每一个频率单元进行频域互相关，利用非真值时延差对应频率单元随机，真值时延差对应频率单元基本一致的特点，对每一个时延差估计结果进行频率方差统计，突出真值时延差对应线谱信号在时延差估计中所占比重，弱化非真值时延差对应噪声单元在时延差估计中所占比重。
【专利说明】一种基于频率方差加权的时延差估计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及声纳信号处理领域，特别涉及一种基于频率方差加权的时延差估计方法。
【背景技术】
[0002]由于主动声呐容易暴露，对水下目标进行探测时常采用被动式声呐。随着减振降噪技术的不断提高，目标辐射噪声相比环境噪声在不断地降低，致使声呐设备对其接收信号所能提供的先验知识也在不断地减少。基于宽带能量积分的信号检测方法在被动声呐检测中已不能满足对水下远程目标的探测需求。
[0003]研究表明:水下目标螺旋桨转动会切割水体产生低频信号，其中部分信号会直接以加性形式出现在目标辐射信号中，部分信号则被船体本身的振动调制到较高的频带。在目标辐射信号中线谱谱级通常连续谱谱级要高出10?25dB，这为实现水下目标远程探测提供了一种可能。
[0004]对此，本发明对目标辐射信号频率未知的情况下，介绍了一种基于频率方差加权的时延差估计方法。对接收信号进行FFT分析，采用引导信号对每一个频率单元进行频域互相关。利用非真值时延差对应频率单元随机，真值时延差对应频率单元基本一致的特点，对每一个时延差估计结果进行频率方差统计计算。理论分析和仿真结果表明:本发明具有较好的有效性和对信噪比的宽容性远好于频域互相关法，本发明为弱线谱时延差估计提供了一个参考思路。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，为克服低信噪比下在目标辐射信号频率未知的情况下，现有技术不能很好的实现水声定位系统中阵元间接收目标辐射信号的时延差估计问题，本发明提供了一种基于频率方差加权的时延差估计方法。
[0006]为实现上述目的，本发明提供了一种基于频率方差加权的时延差估计方法，该方法用于估计水声定位系统中不同接收阵元接收的目标辐射信号的时延差，所述方法为:
[0007]求取若干次每一个频率单元的时域相关谱以及相应的初始时延差；
[0008]计算得到的每一个初始时延差对应的频率方差，并对频率方差求倒数形成加权因子；
[0009]累加每一初值时延差对应的加权因子得到最终时域相关谱，从最终时域相关谱中求取最终时延差。
[0010]上述方法具体包含如下步骤:
[0011]步骤101)对各接收阵元接收的目标辐射信号进行傅里叶变换得到各接收阵元接收的目标辐射信号的频域信号；
[0012]将任意两个接收阵元接收的目标辐射信号的频域信号相乘得到两个接收阵元的频域互谱数据RX12 (f)；
[0013]采用引导信号与得到的频域互谱数据RX12 (f)相乘得到从起始频率到终止频率&中频域互谱数据RX12 (f)每一频率单元所对应的频域互谱数据RX12 (fj，其中:i为频率单元编号，K为终止频率所对应的编号；再对RX12(A)做逆傅里叶变换，到从起始频率到终止频率&中频域互谱数据RX12(f)每一个频率单元所对应的时域相关谱R(fi，、_)，其中:i=1，...，K，j = 1，...，L，j为时延差对应的时间点编号，L为R(fi，τ在时间轴上的点数；
[0014]步骤102)从起始频率到终止频率fK，将频域互谱数据RX12 (f)中每一个频率单元所对应的时域相关谱R(fi，τ j)的最大值所对应的时间点作为该频率单元的初步时延差估计结果，该初步时延差估计结果记为τ比)，i为频率单元编号且i = l.，...，K，K为终止频率所对应的编号；j为时延差对应的时间点编号，L为时域相关谱R(fi，Tj.)在时间轴上的点数；
[0015]步骤103)更新各接收阵元接收的时域信号，重复进行步骤101)和步骤102)，当重复次数达到预定值N时，从起始频率到终止频率fK，对RX12 (f)中每一个频率单元所对应的N个初步的时延差估计结果，记为Tn(A);反向推出:每个初步时延差估计结构对应N个频率单元，记为 fn( τ」)，其中:i = 1，...，K, η = 1，...，N, j = 1，...，L, i 为频率单元编号，K为终止频率所对应的编号；为j时延差对应的时间点编号，L为R(fi，τ ρ在时间轴上的点数；N取值范围为:5≤N≤15 ;
[0016]步骤104)将得到的每一个初步时延差估计结果进行频率方差计算，对应结果记为δ f( τ」)，其中，j = 1，...，L，j为时延差对应的时间点编号，L为R(fi，τ在时间轴上的点数；
[0017]步骤105)依时间轴为顺序对步骤103)中每个初步时延差估计结果所对应步骤104)所求取的频率方差Sf(Tp进行累计计算，累计结果作为最终的时域相关谱；最后，从最终的时域相关谱中提取出各接收阵元间接收目标辐射信号的时延差估计值，完成水声定位系统中不同接收阵元接收目标辐射信号的时延差估计。
[0018]上述步骤101)进一步包含:
[0019]步骤101-1)对任意两个接收阵元I和2接收的时域的目标辐射信号X1⑴和X2⑴进行傅里叶变换得到X1 (t) X2 (t)相对应的频域信号X1 (f)和X2(f);然后，对Xi(f)和Xl(/)相乘，得到接收阵元I和2的频域互谱数据RX12 (f)，具体计算公式为:
【权利要求】
1.一种基于频率方差加权的时延差估计方法，该方法用于估计水声定位系统中不同接收阵元接收的目标辐射信号的时延差，所述方法为: 求取若干次每一个频率单元的时域相关谱以及相应的初始时延差； 计算得到的每一个初始时延差对应的频率方差，并对频率方差求倒数形成加权因子； 累加每一初值时延差对应的加权因子得到最终时域相关谱，从最终时域相关谱中求取最终时延差。
2.根据权利要求1所述的基于频率方差加权的时延差估计方法，其特征在于，所述方法具体包含如下步骤: 步骤101)对各接收阵元接收的目标辐射信号进行傅里叶变换得到各接收阵元接收的目标辐射信号的频域信号；将任意两个接收阵元接收的目标辐射信号的频域信号相乘得到两个接收阵元的频域互谱数据RX12 (f); 采用引导信号与得到的频域互谱数据RX12 (f)相乘得到从起始频率到终止频率fK中频域互谱数据RX12(f)每一频率单元所对应的频域互谱数据RX12(fj，其中:i为频率单元编号，K为终止频率所对应的编号；再对RX12(A)做逆傅里叶变换，到从起始频率到终止频率&中频域互谱数据RX12 (f)每一个频率单元所对应的时域相关谱R(f” O，其中:i =1，...，K，j = 1，...，L，j为时延差对应的时间点编号，L为R(fi，τ在时间轴上的点数； 步骤102)从起始频率到终止频率fK，将频域互谱数据RX12 (f)中每一个频率单元所对应的时域相关谱R(f” τ j)的最大值所对应的时间点作为该频率单元的初步时延差估计结果，该初步时延差估计结果记为τ比)，i为频率单元编号且i = I,...，K，K为终止频率所对应的编号为时延差对应的时间点编号，L为时域相关谱R(fi，Tj.)在时间轴上的点数； 步骤103)更新各接收阵元接收的时域信号，重复进行步骤101)和步骤102)，当重复次数达到预定值N时，从起始频率到终止频率fK，对RX12 (f)中每一个频率单元所对应的N个初步的时延差估计结果，记为;反向推出:每个初步时延差估计结构对应N个频率单元,记为 fn( τ」)，其中:i = 1，...，K, η = 1，...，N, j = 1，...，L, i 为频率单元编号，K为终止频率所对应的编号；为j时延差对应的时间点编号，L为R(f” τ j)在时间轴上的点数；N取值范围为:5≤N≤15 ; 步骤104)将得到的每一个初步时延差估计结果进行频率方差计算，对应结果记为δ f( τ ρ，真值时延差对应的频率方差较小，非真值时延差对应的频率方差较大；其中，j =1，..*，L，j为时延差对应的时间点编号，L为R(fi，Tj.)在时间轴上的点数； 步骤105)依时间轴为顺序对步骤103)中每个初步时延差估计结果所对应步骤104)所求取的频率方差进行求倒数形成加权因子，此时真值时延差对应的加权因子较大，非真值时延差对应的加权因子较小；通过将最终所求时域相关谱中的每一初值时延差位置处幅值置为加权因子，无初值时延差位置处幅值置为O ;最后，从最终的时域相关谱中提取出各接收阵元间接收目标辐射信号的时延差估计值，完成水声定位系统中不同接收阵元接收目标辐射信号的时延差估计。
3.根据权利要求2所述的基于频率方差加权的时延差估计方法，其特征在于，所述步骤101)进一步包含:步骤101-1)对任意两个接收阵元I和2接收的时域的目标辐射信号Xl(t)和x2(t)进行傅里叶变换得到Xl(t)和^⑴相对应的频域信号XJf)和X2(f);然后，对XJf)和<(/)相乘，得到接收阵元I和2的频域互谱数据RX12 (f)，具体计算公式为:
其中，fft O为傅里叶变换函数，X1 (t)为接收阵元I接收的目标辐射信号，X2 (t)为接收阵元2的接收的目标信号，fs为提取接收阵元I和2接收目标辐射信号所用的采样率，RX12 (f)表示接收阵元I和2频域信号相乘的结果；(广表示复共轭函数； 步骤101-2)采用引导信号与RX12(f)相乘得到从起始频率到终止频率fK中RX12(f)每一频率单元所对应的频域互谱数据RX12 (fj，I≤i≤K，其中:i为频率单元编号，K为终止频率所对应的编号；再对RX12况)，I ^ i ^ K做逆傅里叶变换，得到从起始频率到终止频率fK中RX12 (f)每一个频率单元所对应的时域相关谱R(fi，τ j), i = I,...，K, j =.1，...，L，其中:j时延差对应的时间点编号，L为R(fi，Tj.)在时间轴上的点数，具体计算公式为:
其中，s(t)为引导信号，频率A为从起始频率到终止频率fK中的一个频率单元，i为频率单元编号，K为终止频率所对应的编号。
4.根据权利要求2所述的基于频率方差加权的时延差估计方法，其特征在于，所述步骤102)进一步包含: 步骤102-1)依时间轴上的时间点为顺序对步骤101-2)中的R(fi，τ j), i = I,j=1，...Λ，进行逐点比较幅值的大小，并记录最大值所在的位置τ (fi)，i = I, -..,K,其中:i为频率单元编号，K为终止频率所对应的编号；j时延差对应的时间点编号，L为R(fi, τ j)在时间轴上的点数； 步骤102-2)将步骤102-1)中记录的τ (fj作为频率为的频率单元的初步时延差估计结果。
5.根据权利要求2所述的基于频率方差加权的时延差估计方法，其特征在于，所述步骤104)进一步包含: 步骤104-1)依据步骤103)对重复N次步骤101)和步骤102)得到了从起始频率到终止频率fK中RX12 (f)的每一个频率单元所对应的N次初步时延差估计结果τ Jfi)，i=1，...，K，η = 1，...，N ;其中:i为频率单元编号，K为终止频率所对应的编号；j时延差对应的时间点编号，L为R(f” τ j)在时间轴上的点数；然后反向推出:每个时延差对应N个频率单元,记为fn( τ」)，j = 1，..., L, η = I,...，N,其中:L为时域相关谱R(fi； τ j)在时间轴的数据长度；N取值范围为:5≤N≤15，对4(、_)按如下公式求取每个初步时延差估计结果所对应的频率方差:
根据上式可知:在真值时延差对应的频率单元为目标辐射信号频率单元比较稳定，非真值时延差对应频率单元比较随机时，可得真值时延差对应的频率方差较小，非真值时延差对应的频率方差较大。
6.根据权利要求2所述的基于频率方差加权的时延差估计方法，其特征在于，所述步骤105)进一步包含: 步骤105-1)依时间轴为顺序对步骤104)求取所得每个时延差对应的频率方差Sf(Tj)进行求倒数形成加权因子，此时真值时延差对应的加权因子较大，非真值时延差对应的加权因子较小；通过将最终所求时域相关谱中的每一初值时延差位置处幅值置为加权因子，无初值时延差位置处幅值置为0，即当某一时延差估计结果fn( τ j)对应频率方差为δ(τρ时，则最终所 求的时域相关谱Rwt (?.η(τ P)需累加该时延差估计结果对应的频率方差的倒数作为最后的输出值，具体计算公式为:
Rout (fn( τ j)) = Rout (4( τ j))+l/ δ f( τ p, j = I,...，L ;n = 1，...，N.上式具体过程如下:首先将最终所求的时域相关谱Rwt (fn( τ j))=0,当从第1次开始依次到第N次结束，当某一时延差估计结果?.η(τ P对应频率方差为Sf(T)时，则需将Rout (fn( τ j))累加该时延差估计结果对应的频率方差的倒数，第N次结束即得到最终所求的时域相关谱1?_(4('_))，进而可从1?_(4(^))求出各阵元间接收信号的时延差，完成水声定位系统中不同接收阵元接收目标辐射信号的时延差估计，其中:L为时域相关谱R(fi； Tj)在时间轴的数据长度，N取值范围为:5≤N≤15。
【文档编号】G01S7/52GK104049247SQ201310077883
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年3月12日 优先权日:2013年3月12日
【发明者】郑恩明, 陈新华, 孙长瑜 申请人:中国科学院声学研究所