一種寬帶相干模基信號處理方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明提出了一種寬帶相干模基信號處理方法及系統，所述方法包含：步驟101）獲得B個頻點的陣列接收數據，對全頻帶的數據做波束歸一化，相干形成綜合接收數據向量；步驟102）獲得B個頻點的建模向量，并對全頻帶的建模向量相干形成綜合期望導向矢量；步驟103）依據所述的綜合接收數據向量和綜合期望導向矢量，得到最優導向矢量；步驟104）依據最優導向矢量獲得最終的目標定位結果。所述步驟102）為：遍歷聲源可能出現的位置，輸入建模工具得到B個頻點的加權向量，將B個加權向量累接，得到綜合期望導向矢量。步驟103）包含：將綜合接收數據向量和綜合期望導向矢量做相關處理并遍歷所有可能的聲源位置，得到判決函數；判決函數的最大值的位置為聲源位置。
【專利說明】一種寬帶相干模基信號處理方法及系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于聲納數字信號處理領域，特別涉及一種寬帶相干模基信號處理方法。【背景技術】
[0002]在聲納系統中，根據工作原理的不同，分為主動聲納和被動聲納。被動聲納本身不發射聲信號，只是被動地接受可疑目標的輻射噪聲，以進行目標檢測，繼而進行目標聲源的定位以及識別。
[0003]被動聲納聲源定位需要空間、帶寬等信息，以得到較低的旁瓣，并提高對環境失配的魯棒性以及對噪聲的抑制能力。海洋傳播信道是頻率變化的，信道的衰落與時散特性在本質上是由于海洋環境地聲屬性的頻率依賴性引起的。對固定的海域，采用單頻或窄帶信號進行模基處理可能會導致分辨率低、穩健性差及唯一性等問題，而用足夠寬的寬帶信號可以得到更優的處理結果。
[0004]寬帶信號處理方法可以分為兩種:一種是傳統的非相干方法，另一種是相干方法。非相干的處理方法利用了一個頻點內的空間相干性，但沒有考慮頻率之間的相干信息，多個頻率點的模糊表面直接進行實數域平均。目前的處理算法大多采用這種空間相干處理、頻率間非相干處理的方法。而相干處理方法則考慮了頻率間的互相關信息，并選擇與頻率有關的加權系數進行加權平均，由于考慮到了頻率間的相干性，可以更充分地利用水聲傳播特性，從而提高定位的準確度。目前，對寬帶相干處理的研究是一個熱門課題。。
[0005]最初的寬帶相干模基處理算法是在時域實現的，在文獻I “C.S.Clay.0ptimumtime domain signal transmission and source localization in a waveguide.J.Acoust.Soc.Am., 81:660-664, 1987”中，最早實現了時域的寬帶相干匹配場處理，他提出用測量得到的脈沖響應與建模得到脈沖響應相匹配，以此來估計聲源位置，他還將此方法擴展到多陣元的互相關處理。文獻2 “R.K.Brienzo, ff.S.Hodgkiss.Broadbandmatched-f ield processing.J.Acoust.Soc.Am., 94:2821-2831, 1993” 使用該算法在試驗中成功地定位了 9km處的爆炸聲源。但是這種算法需要預先知道聲源的頻譜，這在大多被動聲納的應用條件下是不可能的。在文獻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，研究了高頻段(IkHz以上)時域寬帶MFP的性能，由于高頻段對于參數擾動更加敏感，聲源定位更加困難。他們首先假設聲源波形已知，從而使用匹配濾波的方法得到信道的脈沖響應，與建模得到的脈沖響應相匹配，即可得到聲源位置的估計，當波形未知時，他們將兩個水聽器接收到的信號做互相關處理，從而消除了聲源波形對處理器的影響，文中還給出了聲源深度和距離的跟蹤結果。
[0006]文獻 4 “E.K.Westwood.Broadband matched-field source localization.J.Acoust.Soc.Am.,91 (5): 2777-2789, May 1992”在頻域實現了寬帶相干模基處理，與時域寬帶相干處理的思想一致，在頻域中，也是將測量得到的脈沖響應與建模得到的脈沖響應做相關處理。與時域的方法不同，處理器輸出不再是時域的相關函數的最大值，而是頻域互相關的相干累加。由于該處理器在每個頻點做了相關處理，所以不需要知道聲源的頻譜信息。文獻4指出，寬帶相干處理器好于非相干處理器，在相干處理器中，去掉自相關的部分(即CSDM中的對角項)效果會更好，此外，他還討論了陣孔徑、信號帶寬對處理器性能的影響，使用更多的陣元、更大的帶寬、更大的孔徑將會獲得更好地定位結果。文中還給出了5000m深海的試驗結果，使用200米錨底垂直陣，成功的將聲源跟蹤到了 42km的距離。
[0007]文獻5 uZ.-H.Michalopoulou and Μ.B.Porter.Matched-fieldprocessing for broad—band source localization.1EEE Journal of Oceanicengineering, 21:384-392, 1996”提出了一種直接匹配聲場的寬帶相干處理方法(陣元歸一化寬帶相干匹配處理器，簡稱MP算法)，區別于之前的匹配互相關的方法，該算法將陣列接收到的各頻率的聲場累接起來，形成一個超級向量，由于頻率間的相位差影響，直接的聲場匹配效果很差，他們提出了一種歸一化的方法，每個頻率的向量都以第一個陣元為參考歸一化，然后將各頻率的向量累接起來，形成超級向量，以消除頻率間相位差的影響，此方法可以直接用于MVDR等自適應算法。他們將這種寬帶相干的方法用于試驗數據，結果表明MVDR寬帶相干處理器對聲源距離和深度的跟蹤有效率達到90%，而非相干的MVDR僅為10%。但是這種方法在低信噪比時，歸一化的效果明顯變差，從而不能消除聲源的影響。
[0008]本發明的技術方案所采用的技術手段有效的克服了文獻5存在的技術缺陷。現有技術的模基信號的處理方法如圖1所示。
【發明內容】
[0009]本發明目的在于，為克服現有寬帶信息的非相干處理帶來的處理損失，在低信噪比的情況下目標檢測能力下降，提出一種寬帶相干模基處理方法及系統。
[0010]本發明所述的波束歸一化寬帶模基處理算法，將每個頻點的陣列信號用波束形成后的參考向量歸一化，從而降低處理器的最小可檢測信噪比，提高檢測性能。
[0011]為實現上述目的，本發明提供了一種寬帶相干模基信號處理方法，所述方法包含:
[0012]步驟101)獲得B個頻點的陣列接收數據，對全頻帶的數據做波束歸一化，相干形成綜合接收數據向量；
[0013]步驟102)獲得B個頻點的建模向量，并對全頻帶的建模向量相干形成綜合期望導向矢量；
[0014]步驟103)依據所述的綜合接收數據向量和綜合期望導向矢量，得到最優導向矢量;
[0015]步驟104)依據最優導向矢量獲得最終的目標定位結果。
[0016]上述技術方案中，所述步驟101)具體為:對接收的B個頻點的陣列接收數據進行快速傅里葉變換，獲得各個單頻點的數據；對B個頻點的數據依次進行波束形成和歸一化處理，形成綜合接收數據向量；其中，B取值為大于等于I。累積L個快拍的陣列接收數據構造陣列協方差矩陣。
[0017]上述技術方案中，所述步驟101)進一步包含如下子步驟:
[0018]步驟101-1)用線陣接收空間信號，得到一個快拍時刻N個陣元的時域信號；
[0019]步驟101-2)對時域數據做快速傅里葉變換，得到B個頻點的陣列數據(X1, x2，...，XB)，其中第i個頻點的陣列數據Xi表示如下
[0020]X1-Exil, xi2,...，XiJ
[0021]其中Xij表示第j個陣元第i個頻點的接收數據，T表示轉置；
[0022]步驟101-3)對B個頻點的數據做波束形成，得到第i個頻點的波束數據Xiibeam為
[0023]Xijbeam=Xi^ei
[0024]其中，e,表示第i個頻點的陣列方位補償向量，由陣元位置、目標方位及信號頻率決定;
[0025]將此波束數據作為每個頻點的參考信號(XlMf，X2ref, , XBref)，即
[0026]Xiref=Xijbeaffl
[0027]以此參考信號對每個頻點的陣列數據(X1, X2，...，Xb)做歸一化，得到歸一化后的
數據如下式:.一-......一..F FY
[0028](木
【權利要求】
1.一種寬帶相干模基信號處理方法，所述方法包含: 步驟101)獲得B個頻點的陣列接收數據，對全頻帶的數據做波束歸一化，相干形成綜合接收數據向量，即包含了全頻帶信息的接收數據向量； 步驟102)獲得B個頻點的建模向量，并對全頻帶的建模向量相干形成綜合期望導向矢量，即包含了全頻帶信息的期望導向矢量； 步驟103)依據所述的綜合接收數據向量和綜合期望導向矢量，得到最優導向矢量； 步驟104)依據最優導向矢量獲得最終的目標定位結果。
2.根據權利要求1所述的寬帶相干模基信號處理方法，其特征在于，所述步驟101)具體為:對接收的B個頻點的陣列接收數據進行快速傅里葉變換，獲得各個單頻點的數據；對B個頻點的數據依次進行波束形成和歸一化處理，形成綜合接收數據向量；累積L個快拍的陣列接收數據構造陣列協方差矩陣。
3.根據權利要求1所述的寬帶相干模基信號處理方法，其特征在于，所述步驟101)進一步包含如下子步驟: 步驟101-1)用線陣接收空間信號，得到一個快拍時刻N個陣元的時域信號； 步驟101-2)對時域數據做快速傅里葉變換，得到B個頻點的陣列數據(X1, X2,...,Xb),其中第i個頻點的陣列數據Xi表示如下
X「[Xil, Xi2,...，XiN] 其中Xu表示第j個陣元第i個頻點的接收數據，τ表示轉置； 步驟101-3)對B個頻點的數據做`波束形成，得到第i個頻點的波束數據XiL為
Xi,beam=Ci*ei 其中，^表示第i個頻點的陣列方位補償向量，由陣元位置、目標方位及信號頻率決定； 將此波束數據作為每個頻點的參考信號(xlMf，X2ref,xBref)，即
Xiref ^i, beam 以此參考信號對每個頻點的陣列數據(X1, x2，...，Xb)做歸一化，得到歸一化后的數據(無,^，…,?)，如下式: (Y Y V \ _ ( \.A B \
|,λ25---5Λ η) — \,，…，7
^lref 人 2mf ^Bref 步驟101-4)將B個頻點歸一化后的數據($,?,...,累接起來，形成一個長度為B*N的綜合接收數據向量Zel =[尤，無，…，，若記:
A AΛj,
Xi =[Xll9Xi25...5Xliv] 其中&Xlj表示第j個陣元第i個頻點的歸一化后的數據，則擴展后的歸一化向量:
ΛΛΛΛΛΛΛΛΛ 步驟101-5)接收L個快拍時刻的數據，分別按步驟101-2)-101-4)得到每個快拍的綜合接收數據向量，全部L個快拍的綜合接收數據向量記為X_n ；
Xe，all [Xel，Xe2，...XeL]所述步驟101-1)是接收一個快拍時刻的數據，需要重復L次，步驟101-5)即是這個意思； 步驟101-6)使用L個快拍的綜合接收數據向量形成陣列協方差矩陣 R = E[X^1Xlu](I) 其中，E表示做統計平均，H表示共軛轉置。
4.根據權利要求1所述的寬帶相干模基信號處理方法，其特征在于，所述步驟102)具體步驟為:遍歷聲源可能出現的位置，并結合海洋環境參數，輸入建模工具得到B個頻點的加權向量，將B個加權向量累接起來，得到綜合期望導向矢量。
5.根據權利要求1所述的寬帶相干模基信號處理方法，其特征在于，所述步驟103)進一步包含: 步驟103-1)將所述的綜 合接收數據向量和綜合期望導向矢量做相關處理得到該聲源位置的判決函數值，并遍歷所有可能的聲源位置，得到關于全部聲源位置的判決函數如下:
6.一種寬帶相干模基信號處理系統，所述系統包含: 綜合接收數據向量獲取模塊，用于獲得B個頻點的陣列接收數據，對全頻帶的數據做波束歸一化，相干形成綜合接收數據向量； 綜合期望導向矢量獲取模塊，用于獲得B個頻點的建模向量，并對全頻帶的建模向量相干形成綜合期望導向矢量； 綜合處理模塊，用于依據所述的綜合接收數據向量和綜合期望導向矢量，得到最優導向矢量；并依據最優導向矢量獲得最終的目標定位結果。
7.根據權利要求6所述的寬帶相干模基信號處理系統，其特征在于，所述綜合接收數據向量獲取模塊對接收的B個頻點的陣列接收數據進行快速傅里葉變換，獲得各個單頻點的數據；對8個頻點的數據依次進行波束形成和歸一化處理，形成綜合接收數據向量；累積L個快拍陣列接收數據構造陣列協方差矩陣。
8.根據權利要求6所述的寬帶相干模基信號處理系統，其特征在于，所述綜合接收數據向量獲取模塊進一步包含: 接收子模塊，用于用線陣接收空間信號，得到一個快拍時刻N個陣元的時域信號； 第一處理子模塊，對時域數據做快速傅里葉變換，得到B個頻點的陣列數據(X1, X2,, Xb)，其中第i個頻點的陣列數據Xi表示如下
X「[Xil, Xi2,...，XiN] 其中Xu表示第j個陣元第i個頻點的接收數據，τ表示轉置； 第二處理子模塊，用于對B個頻點的數據做波束形成，得到第i個頻點的波束數據Xi，beam 其中，ei表示第i個頻點的陣列方位補償向量，由陣元位置、目標方位及信號頻率決定;將此波束數據作為每個頻點的參考信號(xlMf，X2ref,xBref)，即
Xiref ^i, beam 以此參考信號對每個頻點的陣列數據(X1, x2，...，Xb)做歸一化，得到歸一化后的數據戌，乏2，...,名),如下式:
9.根據權利要求6所述的寬帶相干模基信號處理系統，其特征在于，所述綜合期望導向矢量獲取模塊遍歷聲源可能出現的位置，并結合海洋環境參數，輸入建模工具得到B個頻點的加權向量，將B個加權向量累接起來，得到綜合期望導向矢量。
10.根據權利要求6所述的寬帶相干模基信號處理系統，其特征在于，所述綜合處理模塊進一步包含: 相關處理子模塊，用于將所述的綜合接收數據向量和綜合期望導向矢量做相關處理得到并遍歷所有可能的聲源位置，得到關于聲源位置的判決函數如下:
Pcoh-conv( Θ , r，z) =We11 ( θ , r, z)Rwe( θ , r, ζ) 聲源定位模塊’用于將聲源位置的判決函數？。。!?^^，!.^)的最大值出現的位置確定為聲源位置的估計值。
【文檔編號】G01S7/52GK103513249SQ201210210580
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年6月20日 優先權日:2012年6月20日
【發明者】鞏玉振 申請人:中國科學院聲學研究所