一种联合频率着色和宽带频率特征的方位历程图显示方法技术

本发明专利技术属于水声阵列信号处理技术领域，公开了一种联合频率着色和宽带频率特征的方位历程图显示方法，将基阵接收信号分为多个时间段单独处理，利用频域波束形成进行方位估计，得到频率方位矩阵；设置颜色映射矩阵，将宽带信号的频率信息映射到

【技术实现步骤摘要】
一种联合频率着色和宽带频率特征的方位历程图显示方法


[0001]本专利技术属于水声阵列信号处理
，尤其涉及一种联合频率着色和宽带频率特征的方位历程图显示方法
。

技术介绍

[0002]在被动声纳系统中，与窄带信号相比，宽带信号具有很多优势，如所包含信息量大
、
抗干扰能力强
、
与背景噪声相关性小
、
分辨力强等优点，这对于实现目标检测
、
特征提取以及参数估计等都非常有利
。
对基阵接收的宽带信号进行宽带波束形成获得宽带波束输出，即频率方位矩阵，再利用宽带积分处理就可以得到宽带方位估计输出，将其按照时间并列输出可获得传统的方位时间历程图
。
[0003]Wax
等较早提出利用非相干子空间法进行宽带方位估计
(
参见
《Spatio
‑
temporal spectral analysis by eigenstructure methods》
刊于
IEEE transactions on acoustics
，
speech
，
and signal processing
，
1984
，
32(4):817
‑
827.)
，该方法首先通过离散傅里叶变换将接收到的宽带信号划分成若干个子带，然后对每个子带上的数据利用窄带
DOA
技术进行估计，最后将各个子带的结果进行平均得到宽带方位谱，以强度着色的方法按时间输出方位时间历程
。
该方法操作简单，利于工程实现，但是在低信噪比
、
目标方位较为靠近时，由于目标轨迹颜色相近引起轨迹相互掩盖，导致估计性能较差
。
由于传统的方位时间历程图的颜色仅表示强度信息，所以其他的宽带信号方位估计方法同样存在这样的问题
。
[0004]目前对传统方位时间历程图显示的研究主要有：刘雄厚，王聪，孙超，杨益新，卓颉
.
一种基于频率着色处理的宽带能量检测方法
[P].
陕西省：
CN110208810B,2022
‑
08
‑
19.(
以下简称专利技术
1)
；王聪，刘雄厚，孙超，等
.
基于频率着色的被动声呐宽带能量检测方法
[J].
哈尔滨工程大学学报，
2021
，
42(4):456
‑
462.(
以下简称文献
1)
[0005]专利技术1和文献1针对传统方位历程图的缺陷，提出了一种基于频率着色的被动声呐宽带能量检测方法，该方法将光的三原色
(RGB)
引入到被动声呐宽带能量检测中，将所处理宽带信号的波束输出按频率映射为不同的三原色色值，最终按时间并列输出得到彩色的方位时间历程图
(BTR)
，一定程度上提高了被动声呐宽带能量检测
(CED)
所能获得的目标分辨和检测能力
。
但其设计的颜色映射矩阵存在缺陷，不能准确反应宽带信号的频率特征，另外该方法输出的三原色存在色值溢出的隐患
。
[0006]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0007](1)
在低信噪比
、
目标方位较靠近时，利用非相干子空间法进行宽带方位估计的方法由于目标轨迹颜色相近引起轨迹相互掩盖，导致估计性能较差
。
[0008](2)
由于传统的方位时间历程图的颜色仅表示强度信息，所以其他的宽带信号方位估计方法同样存在估计性能较差的问题
。
[0009](3)
现有被动声呐宽带能量检测方法设计的颜色映射矩阵存在缺陷，不能准确反应宽带信号的频率特征，且输出的三原色存在色值溢出的隐患
。

技术实现思路

[0010]为克服相关技术中存在的问题，本专利技术公开实施例提供了一种联合频率着色和宽带频率特征的方位历程图显示方法，所述技术方案如下：
[0011]本专利技术是这样实现的，一种联合频率着色和宽带频率特征的方位历程图显示方法，包括以下步骤：
[0012]S1
，将基阵接收信号分成多个时间段单独处理，通过快速傅里叶变换将时域信号转换到频域，在不同方位处对各个子带信号进行波束形成，得到频率方位矩阵；
[0013]S2
，创建颜色映射矩阵，将频率方位矩阵与色值映射矩阵之间通过矩阵向量运算，分别得到红
、
绿
、
蓝三种颜色矩阵；
[0014]S3
，对频率方位矩阵沿频率维求和，得到宽带波束输出向量，并对得到的宽带目标方位估计结果进行归一化到0～
255
区间；
[0015]S4
，对红
、
绿
、
蓝颜色矩阵沿频率维求和，依次得到红色
、
绿色
、
蓝色的宽带波束输出向量，分别进行归一化得到不同的颜色系数；
[0016]S5
，将步骤
S3
得到的结果分别乘以步骤
S4
得到的相应的红
、
绿
、
蓝颜色系数，得到各个方位的三原色输出色值；
[0017]S6
，将三原色输出色值进行堆叠，得到彩色宽带目标方位估计；将不同时间段的彩色宽带目标方位估计并列输出，得到改进的方位历程图
。
[0018]在步骤
S1
中，对每段时域信号利用频域波束形成进行方位估计，得到频率方位矩阵，包括：
[0019](1)
将各阵元时域信号做
FFT
运算，得到各阵元的频域信号；
[0020](2)
将频域信号划分为
K
个子带；
[0021](3)
对各个子带的频域信号进行相位补偿，补偿的向量为：
[0022]W(f
，
θ
)
＝
[1 e
‑
i2
π
fdsin
θ
/c e
‑
i2
π
f 2dsin
θ
/c ... e
‑
i2
π
f(M
‑
1)dsin
θ
/c
][0023][0024][0025]式中，
W(f
，
θ
)
为设计的加权向量，
f
为频率，
θ
为扫描角度，
i
表示虚数，
d
为阵元间距，
c
为水下声速，
M
为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种联合频率着色和宽带频率特征的方位历程图显示方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1
，将基阵接收信号分成多个时间段单独处理，通过快速傅里叶变换将时域信号转换到频域，在不同方位处对各个子带信号进行波束形成，得到频率方位矩阵；
S2
，创建颜色映射矩阵，将频率方位矩阵与色值映射矩阵之间通过矩阵向量运算，分别得到红
、
绿
、
蓝三种颜色矩阵；
S3
，对频率方位矩阵沿频率维求和，得到宽带波束输出向量，并对得到的宽带目标方位估计结果进行归一化到0～
255
区间；
S4
，对红
、
绿
、
蓝颜色矩阵沿频率维求和，依次得到红色
、
绿色
、
蓝色的宽带波束输出向量，分别进行归一化得到不同的颜色系数；
S5
，将步骤
S3
得到的结果分别乘以步骤
S4
得到的相应的红
、
绿
、
蓝颜色系数，得到各个方位的三原色输出色值；
S6
，将三原色输出色值进行堆叠，得到彩色宽带目标方位估计；将不同时间段的彩色宽带目标方位估计并列输出，得到改进的方位历程图
。2.
根据权利要求1所述的联合频率着色和宽带频率特征的方位历程图显示方法，其特征在于，在步骤
S1
中，对每段时域信号利用频域波束形成进行方位估计，得到频率方位矩阵包括：
(1)
将各阵元时域信号做
FFT
运算，得到各阵元的频域信号；
(2)
将频域信号划分为
K
个子带；
(3)
对各个子带的频域信号进行相位补偿，补偿的向量为：
W(f,
θ
)
＝
[1 e
‑
i2
π
fdsin
θ
/c e
‑
i2
π
f2dsin
θ
/c
ꢀ…ꢀ
e
‑
i2
π
f(M
‑
1)dsin
θ
/c
]]
式中，
W(f,
θ
)
为设计的加权向量，
f
为频率，
θ
为扫描角度，
i
表示虚数，
d
为阵元间距，
c
为水下声速，
M
为阵元数，
n
为方位扫描序列号，
N
为方位扫描网格数；
(4)
将各阵元的频域信号与补偿向量相乘，再对信号取模平方，得到的值为频域波束形成的能量；
(5)
将每个子带的波束形成向量进行保存，构成频率方位矩阵，维数为
K
×
N
，第
i
行第
j
列元素记为
p
i,j
。3.
根据权利要求1所述的联合频率着色和宽带频率特征的方位历程图显示方法，其特征在于，在步骤
S2
中，创建颜色映射矩阵包括：
(1)
矩阵的维数为
K
×3，
K
为步骤
S1
中划分的子带数，令矩阵元素全为零；
(2)
颜色映射矩阵第
i
行向量记为
(wr
i
,wg
i
,wb
i
),i
＝
1,2
…
K
，矩阵每列的元素分别代表红
、
绿
、
蓝映射值，按照以下规则进行赋值：
式中，
K
为子带数，为向下取整符号
。4.
根据权利要求1所述的联合频率着色和宽带频率特征的方位历程图显示方法，其特征在于，在步骤
S2
中，红
、
绿
、
蓝三种颜色矩阵中的元素按照以下规则运算得到：式中，
r
i,j
为红色初始色值，
g
i,j
为绿色初始色值，
b
i,j
为蓝色初始色值，
p
i,j
为频率方位矩阵第
i
行第
j
列元素，
wr
i
为红色映射值，
wg
i
为绿色映射值，
wb
i
为蓝色映射值，
i,j
表示在矩阵中的第
i
行第
j
列，
K
为子带数，
N
为方位扫描网格数
。5.
根据权利要求1所述的联合频率着色和宽带频率特征的方位历程图显示方法，其特征在于，在步骤
S3
中，宽带波束输出向量为：式中，
P
为全方位宽带波束输出，
P1,P2…
P
N
为宽带波束输出向量结果，
P
j
为第
j
个方位上的波束输出，
p
i,j
为频率方位矩阵第
i
行第
...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹然，秦志宇，张亮，周璇，尹家瑞，李德文，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：