一种基于声压、振速互谱法的矢量阵左右舷分辨方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术包括：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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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，以线列阵为对称轴，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舷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舷还是右舷，即通常所说的拖线阵左右舷分辨问题。解决左右舷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，根据声呐的时间—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舷。另一类可以概括为多线阵方法，利用双线阵或三元阵在拖曳线列阵的接收端解决左右舷模糊问题。这类方法主要是改变拖曳线列阵声呐接收基阵的阵元结构，国外现役装备中采用的方法主要有三种:三元水听器组、双线阵方式以及矢量水听器。本文针对矢量水听器这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，LOFAR线谱方位估计法以及DEMON谱方位估计法等。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以获得阵处理增益，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舷模糊问题，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舷的能力，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。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舷分辨方法有：时域的平均声强器法、频域的互谱直方图法以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舷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，以及强干扰存在时常常会掩盖弱目标。这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舷分辨方法，可以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度均匀的左右舷分辩能力，并且可以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舷分辨效果。经过文献检索发现，有下列文献分别对矢量阵的左右舷分辨问题、单矢量互谱直方图统计方法以及结合阵列的方位估计。进行了研究。[1]矢量阵的左右舷分辨方法文章，如：孙国仓，浅海矢量声场及其信号处理.哈尔滨工程大学博士学位论文。2008.10.(以下简称文献1)[2]马巍，声矢量传感器稳健空间谱估计技术研究.哈尔滨工程大学博士学位论文。2013.5(以下简称文献2)[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.(以下简称文献3)[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.(以下简称文献4)[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.(以下简称文献5)[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——通信与信息技术会议论文集(上).2006.(以下简称文献6)文献1～2给出了常规矢量阵的左右舷分辨方法。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。矢量阵的左右舷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舷分辨方法与之相比可以大大降低计算量，为实时处理提供便利条件的同时还具有全向360度均匀的左右舷分辩能力，对相近目标的区分能力也更好。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。然而这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。为了克服这种方法的缺点，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。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以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。这里所提出的新方法，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以达到左右舷分辨的目的。与书中所述方法在技术手段以及针对要解决的问题上有本质区别。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，这类方法结合波束形成和阵列声强器获得方位信息以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。这里提出的方法重点在于解决矢量阵的左右舷分辨问题，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以及针对要解决的问题上都有本质区别。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种解决矢量阵的左右舷分辨准确度低以及对360度范围内目标左右舷分本文档来自技高网...

【技术保护点】
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Pout(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Pout(θ)进行双向一阶递归滤波处理，得到平滑后的空间谱Pα(θ)；(3)根据步骤(2)得到的平滑空间谱Pα(θ)，在平滑空间谱Pα(θ)的基础上提高DT个分贝得到谱峰筛选的门限PDT(θ)；扫描方位角度θ＝[0°，1°，2°，…，360°]，将原始空间谱矩阵Pout(θ)中所有高于门限PDT(θ)的方位角度θ筛选出来，并分别记为目标信号方位角θ1 θ2 … θk；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θ1 θ2 … θk，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(6)根据步骤(5)得到的估计结果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是否小于等于估计值与映像方位差的绝对值若是，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θe，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θe，带入步骤(2)中平滑后的空间谱Pα(θ)中得到Pα(θe)，并利用Pα(θe)代替原始空间谱矩阵Pout(θe)中输出功率；由此得到无模糊的空间谱矩阵Pout(θ)'。...

【技术特征摘要】
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Pout(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Pout(θ)进行双向一阶递归滤波处理，得到平滑后的空间谱Pα(θ)；(3)根据步骤(2)得到的平滑空间谱Pα(θ)，在平滑空间谱Pα(θ)的基础上提高DT个分贝得到谱峰筛选的门限PDT(θ)；扫描方位角度θ＝[0°，1°，2°，…，360°]，将原始空间谱矩阵Pout(θ)中所有高于门限PDT(θ)的方位角度θ筛选出来，并分别记为目标信号方位角θ1 θ2 … θk；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θ1 θ2 … θk，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(6)根据步骤(5)得到的估计结果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是否小于等于估计值与映像方位差的绝对值若是，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θe，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θe，带入步骤(2)中平滑后的空间谱Pα(θ)中得到Pα(θe)，并利用Pα(θe)代替原始空间谱矩阵Pout(θe)中输出功率；由此得到无模糊的空间谱矩阵Pout(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Pout(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P(fi,θ)，且P(fi,θ)＝a(fi,θ)H R(fi)a(fi,θ)；式中，B为信号带宽，B＝fh-fl，fl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，i＝1,2…L，L为信号带宽B内快速傅里叶变换对应的子带个数，L＝B/Δf，B为信号带宽，Δf为FFT计算时的频率分辨率，fl≤fi≤fh，a(fi,θ)为频率fi对应的导向矢量；H表示求共轭转置；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P(fi,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Pout，其中，3.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Pout(θ)进行双向一阶递归滤波处理，得到平滑后的空间谱Pα(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Pout(θ)进行平滑滤波处理；同时提取原始空间谱矩阵Pout(θ)的谱峰；(2.2)将原始空间谱矩阵Pout(θ)进行双向α滤波得到Pα(θ)，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θ1 θ2 … θk，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p(ω)表示由声压信号经傅里叶变换输出的声压谱，以vx(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(θk,ω)为对应θk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： p C B F ( θ ...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅继丹，朱英慧，孙大军，马超，张珂，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23