子帶銳化精確時延快速估計方法

2023-05-26 23:03:51

專利名稱：子帶銳化精確時延快速估計方法
技術領域：
本發明涉及使用傳感器接收的信號被動估計目標方位，並對其進行實時跟蹤的技 術，主要是一種子帶銳化精確時延快速估計方法。
背景技術：
現在常用的被動聲測向技術有匹配場技術，波束形成方法，高精度定向算法以及 時延估計方法，其中時延估計方法主要有直接相關法，廣義相關法，相位譜法，參量模型時 延估計法和自適應濾波法，後來出現一些改進的算法如高階統計量法等。匹配場技術需要 知道空間聲場分布的先驗知識，高精度定向算法需要事先知道聲源的個數，並且兩種方法 計算複雜，運算量都很大；波束形成技術當接收基陣孔徑小、陣元個數少的情況下，角度分 辨能力、對噪聲的抑制能力和定向精度就會變差；時延估計方法在陣列孔徑較小時，角度分 辨能力不高，不適於多目標的探測，另外這些方法通常都是建立在時延量化的基礎上，用離 散的時延代替連續的時延，為保證一定的時延精度，必須採取過採樣或數字內插技術，這樣 需要很大運算量和軟硬體代價；故上面的這些方法難以適用於小孔徑基陣和電池長期供電 的平臺，如魚雷、水雷、智能地雷、UUV、浮標(潛標)及其他水下探測節點等。人類聽覺系統尺寸非常小，左右耳之間的距離大約為0. 2m，卻可以同時分辨多個 聲源，其定位精度和抗幹擾能力是相同條件下的任何設備或系統無法比擬的，研究表明人 耳對聲信號是分為多個子帶進行處理的，為我們在小孔徑接收基陣下的多目標分辨提供啟 發；相關峰細化的精確時延估計快速算法在不進行升採樣，保證運算量基本不變的情況下， 可任意提高等效採樣頻率，實現時延的快速精確的估計，其算法的核心就是使用布魯斯坦 等式將IFFT變換轉化為卷積運算，再將卷積運算通過FFT算法實現，在保證運算量不變的 情況下，可任意細化時域的採樣間隔，將時間細化逆傅立葉變換法(HRIFFT)應用到互譜相 關算法中就得到了高精度時延估計方法。

發明內容
本發明的目的正是要克服上述技術的不足，而提供一種子帶銳化精確時延快速估 計方法，特別適合於具有小孔徑，二元接收基陣，低功耗限制，精確方位估計，多目標分辨要 求的系統。本發明解決其技術問題採用的技術方案這種子帶銳化精確時延快速估計方法， 採用已有的數學方法儘量模擬人耳定向過程，實現小孔徑、多目標情況下的快速精確定向。 使用傳感器陣列接收的信號之間的時延來估計目標的方位，將信號分頻段處理，然後使用 相關峰細化快速時延估計方法估計各頻帶目標的方位，接著對各頻帶的峰值函數進行尖銳 化處理。作為優選，具體步驟如下(1)對兩個陣元接收的信號X1 (t)、&⑴進行FFT，得到信號的頻譜& ( ω )、 Χ2(ω)；根據探測目標的類型，確定處理的頻帶範圍；
(2)將接收信號的頻帶範圍分解為J個等間隔窄帶，計算各窄帶的互功率譜Ρ^ω) = Χυ(ω)Χ*ν(ω)其中表示第i個陣元(i = 1或2)第j個頻帶信號的頻譜，*表示共軛運 算；(3)對各窄帶互功率譜ρ」(ω)使用時間細化逆傅立葉變換進行處理，計算各頻帶 的互相關函數Cj (t) = MHRIFFT [P」(ω)]，取等效採樣頻率為40*c/d，其中c為聲速，d為陣 元間距；(4)根據角度與方位角的對應關係，將各頻段從時域變換到角度域θ )， 搜索Cj ( θ )的峰值CTax(約及峰值對應的角度Θ Jp,將Cj ( Θ )函數使用高斯函數( Θ )替
(θ-θ
代，從而得到各頻帶的銳化互相關函數，這裡巧例二c;ax(的expC-^^)通過調整σ
2σ ，
來改變高斯函數的寬度及算法的解析度；(5)根據各頻帶峰值函數(}」(θ)來計算聲源的時延和方位角信息，即在函數 θ )_時延或(；「 θ )-角度圖中峰值對應的時延和方位角的坐標。本發明有益的效果是該方案實現了在小孔徑，小陣元數，不進行升採樣處理的情 況下對多個不同目標(條件不同目標的頻帶不完全重疊並且頻帶重疊的部分某個聲源的 能量遠大於其他聲源的能量)的方位進行精確、快速的估計，可以同時得到目標的頻率和 方位信息，並且根據頻率的不同可以分辨相同方位入射的不同聲源。


圖1為本發明的流程圖。
圖2為仿真數據的處理結果示意圖1
圖3為仿真數據的處理結果示意圖2
圖4為仿真數據的處理結果示意圖3
圖5為仿真數據的處理結果示意圖4
圖6為試數據的處理結果示意圖1 ；
圖7為數據的處理結果示意圖2
圖8為數據的處理結果示意圖3
圖9為數據的處理結果示意圖4
圖10為數據的處理結果示意圖5
圖11為數據的處理結果示意圖5。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明此本明的目的是採用已有的數學方法儘量模擬人耳定向過程，實現小孔徑、多目 標情況下的快速精確定向，方案可分為三個關鍵技術一、採用分頻段處理的思想，將接收的聲信號分為多個連續等帶寬的窄帶信號，再 進行處理，使得在小孔徑情況下分辨多個不同目標的方位成為可能；二、使用相關峰細化的精確時延估計快速算法估計各子帶的時延，在不進行升採樣，保證運算量基本不變的情況下，可任意提高等效採樣頻率，實現時延的快速精確的估 計；三、將各頻帶的峰值函數使用高斯函數進行尖銳化處理，提高角度解析度，同時避 免了某個頻帶的弱信號被其他頻帶的偽峰所掩蔽，一定程度上提高了抗幹擾能力。本發明是一種根據傳感器接收的信號，被動估計目標方位的技術方案。它將人類 聽覺系統中子頻帶處理的思想與相關峰細化的精確時延估計快速算法相結合，然後對各子 帶的處理結果使用高斯函數進行尖銳化處理，使得頻帶不重疊的多個不同聲源的方位得以 快速精確的估計出來。該方法解決了在小孔徑、小陣元數接收基陣的情況下的多目標方位 的精確快速估計問題；主要適用於魚雷、水雷、智能地雷、UUV、浮標(潛標)以及其它水下小 孔徑的探測節點，特別適合於具有小孔徑接收基陣，電池長期供電，具有低功耗限制要求的 平臺使用。具體方法如下(1)對兩個陣元接收的信號\(0、&(0進行FFT(即快速傅立葉變換，可以採用 MatLAB工具包或網上下載其軟體包來實現)，得到信號的頻譜X1 (ω )、& (ω)；根據探測目 標的類型，確定處理的頻帶範圍(如果探測潛艇，水面艦等目標其頻帶範圍約為[200Hz， 1600Hz]，如果探測目標是發射信號的聲源則此頻帶範圍為聲源的頻帶範圍)。(2)將接收信號的頻帶範圍分解為J個等間隔窄帶(帶寬可以根據需要來設定，這 裡對於潛艇目標設定為50Hz寬度)，計算各窄帶的互功率譜Pj (ω) = Xlj { )Χ*2] (ω)其中表示第i個陣元(i = 1或2)第j個頻帶信號的頻譜，*表示共軛運
笪弁。(3)對各窄帶互功率譜Ρ」(ω)使用時間細化逆傅立葉變換(也稱為改進的高分辨 逆傅立葉變換，簡計為MHRIFFT，東南大學楊亦春教授在《聲測定位中精確時延估計和後置 處理技術》中提出)進行處理，計算各頻帶的互相關函數
權利要求
1.一種子帶銳化精確時延快速估計方法，其特徵是使用傳感器陣列接收的信號之間 的時延來估計目標的方位，將信號分頻段處理，然後使用相關峰細化快速時延估計方法估 計各頻帶目標的方位，接著對各頻帶的峰值函數進行尖銳化處理。
2.根據權利要求1所述的子帶銳化精確時延快速估計方法，其特徵是(1)對兩個陣元接收的信號^⑴ ⑴進行FFT，得到信號的頻譜&(ω)、)(2(ω)；根 據探測目標的類型，確定處理的頻帶範圍；(2)將接收信號的頻帶範圍分解為J個等間隔窄帶，計算各窄帶的互功率譜
全文摘要
本發明公開了一種子帶銳化精確時延快速估計方法，採用已有的數學方法儘量模擬人耳定向過程，實現小孔徑、多目標情況下的快速精確定向。使用傳感器陣列接收的信號之間的時延來估計目標的方位，將信號分頻段處理，然後使用相關峰細化快速時延估計方法估計各頻帶目標的方位，接著對各頻帶的峰值函數進行尖銳化處理。本發明有益的效果是該方案實現了在小孔徑，小陣元數，不進行升採樣處理的情況下對多個不同目標的方位進行精確、快速的估計，可以同時得到目標的頻率和方位信息，並且根據頻率的不同可以分辨相同方位入射的不同聲源。
文檔編號G01S3/80GK102141606SQ201010585440
公開日2011年8月3日 申請日期2010年12月2日 優先權日2010年12月2日
發明者陳伏虎, 黃迪 申請人:中國船舶重工集團公司第七一五研究所