一种基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法技术

本发明专利技术提供的是一种基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法。对矢量阵接收的时域信号进行FFT，得到矢量阵频域信号；利用声压频域信号作频域宽带常规波束形成处理，得到声压信号的空间谱输出；提取空间谱变化趋势，对于大于趋势项的峰值进行目标方位筛选，得到空间谱输出中高于门限的目标方位角的方位值；针对高于门限的目标方位角对矢量阵频域输出信号进行矢量阵常规宽带频域波束形成，进行两次基于波束零陷权的波束形成处理，得到左右舷零陷的加权波束形成空间谱输出；进行目标的左右舷判决，并对确定为映像方位的伪峰进行伪峰抑制，得到最终的空间谱输出及时间方位历程图。本发明专利技术应用于解决矢量信号处理领域中的目标左右舷分辨问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种目标分辨方法，具体地说是一种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的声源信号到达线列阵中各个阵元的时延差不同。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，来自阵列对称轴两侧的目标在各个阵元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谱峰，一个是信号的真实方位，另外一个由于声压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，一类是利用本船较大的自身机动，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的结构，目前采用的方法主要有三种：三元水听器组、双线阵以及矢量水听器阵。本专利技术是针对矢量水听器阵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。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，测量精度低。因此，如何利用矢量阵列实现对目标的实时检测跟踪分辨目标的方位是目前矢量信号处理的一个研究方向。矢量阵测向方法中，直接矢量波束形成具有稳定性好的优点，是最常用的波束形成方法，其缺点是其左右舷分辨能力在各个角度不均匀，目标位于阵的法线方向时分辨效果好，远离阵法线的角度分辨效果则逐渐变差，不利于观察，目标接近阵列的端向时分辨能力最差，对于目标伪峰的抑制能力也是如此，所以会在目标关于阵列的映射方向仍然存在伪峰，不利于观察和对目标个数的判决。另一个主要缺点是无法区分两个关于阵列对称的两目标，会造成目标个数混淆。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、Bartlett零陷波束形成(BNF,BartlettNull-forming)以及结合矢量阵列的方位估计进行了研究。[1]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1)；[2]江磊.小尺度阵信号处理技术研究.哈尔滨工程大学博士学位论文.2007.12.(以下简称文献2)；[3]梅继丹.Bartlett波束形成的波束零陷权设计.哈尔滨工程大学学报.2008，29(12):1315-1318页.(以下简称文献3)。文献1给出了声压阵及矢量阵常规波束形成方法。首先声压阵常规波束形成是将各阵元接收到的声压信号作为输入，通过计算其协方差矩阵得到各个方位的能量输出，由输出能量大小确定目标的方位。矢量阵的常规波束形成即在声压阵常规波束形成的基础上将振速通道的信号也作为输入信息计算声压、振速协方差矩阵，其余步骤与声压波束形成相同。文献1提供的既是基于矢量常规波束形成的目标左右舷方法。其缺点如前面所述，分辨效果较差，对于关于阵对称的目标无法区分。一种基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法提供了一种较直接利用常规矢量阵波束形成效果更好的目标左右舷分辨方法。文献2给出了一种矢量阵逆波束形成方法，该方法首先将声压、振速的时域信号进行波束旋转，对干扰方向形成一组波束输出，在对其进行逆波束形成得到相应的阵元数据，再用阵元接收的原始数据减去得到相对无干扰的新的时域信号。用新的时域信号做矢量波束形成，从而达到干扰抵消与左右舷分辨的目的。根据文献2提供的方法也可以用于进行目标的左右舷分辨，但该方法仅适用于时域信号处理，计算量巨大，每次只能分辨一个目标的左右舷，存在多个目标时需要进行多次逆波束形成，逐一判决。只适用于阵元数较少的矢量阵模式。基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法利用零陷波束形成的方法同事对多个目标方位形成零陷，且采用频域处理的方式对目标进行左右判决，与之相比过程更简单，计算量更小，更实用。文献3中介绍了一种适用于声压阵的Bartlett波束形成的波束零陷权矢量设计方法，可以形成单个或多个波束指向性零点。经过理论推导给出了权的解析形式，其形式只与干扰源方位有关。该Bartlett波束零陷权可以有效地对单个或多个干扰方向形成波束零陷，且对旁瓣有一定降低作用，可用于抗相干噪声源干扰。这里所采用的零陷波束形成方法在声压阵Bartlett波束零陷权的基础上，发展了矢量波束零陷权，对目标可能出现的方位分别进行多零陷抑制，根据目标所在方位的波束输出的强度判断目标位于左舷还是右舷，与文献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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可以有效地对同频或非同频多目标进行分辨，具有更好的左右舷分辨能力的基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法。本专利技术的目的是这样实现的：步骤一、对矢量阵接收的声压p(t)＝[p1(t),p2(t),...pM(t)]T、x轴振速Vx(t)＝[Vx1(t),Vx2(t),...VxM(t)]T及y轴振速时域信号Vy(t)＝[Vy1(t),Vy2(t),...VyM(t)]T进行快速傅里叶变换简称FFT，得到矢量阵声压p(f)＝[p1(f),p2(f),...pM(f)]T、x轴振速Vx(f)＝[Vx1(f),Vx2(f),...VxM(f)]T及y轴振速频域信号Vy(f)＝[Vy1(f),Vy2(f),...VyM(f)]T，其中，M为阵元个数、f为频率、T表示转置；步骤二、利用声压频域信号P(f)在0°～180°范围内作频域宽带常规波束形成处理，得到声压信号的空间谱输出Pout(θ)；步骤三、利于双向一阶递归滤波器提取空间谱变化趋势曲线Pα(θ)，对于大于Pα(θ)加上门限DT得到的门限曲线的峰值进行目标角度筛选，得到空间谱输出中高于门限的目标角度在0°～180°角度范围内的方位值θ1,θ2,…θk，简称过门限目标角度，k表示过门限目标角度的个数；步骤四、根据步骤三得到的目标角度在0°～180°角度范围内的方位值θ1,θ2,…θk，逐一对第j个目标角度θj进行矢量阵常规宽带频域波束形成处理，得到θ1,θ2,…θk共计k个角度的矢量空间谱输出Pvcbf(θ),θ＝[θ1,θ2,…θk]；步骤五、根据步骤三得到的目标角度在0°～180°角度范围内的方位值θ1,θ2,…θk，对这k个角度进行基于Bartlett零陷权的波束形成处理，得到左舷零陷后的加权波束形成空间谱输出Pbnfl(θ),θ＝[θ1,θ2,…θk]，再对180°～3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法，其特征是包括如下步骤：步骤一、对矢量阵接收的声压p(t)＝[p1(t),p2(t),...pM(t)]T、x轴振速Vx(t)＝[Vx1(t),Vx2(t),...VxM(t)]T及y轴振速时域信号Vy(t)＝[Vy1(t),Vy2(t),...VyM(t)]T进行快速傅里叶变换简称FFT，得到矢量阵声压p(f)＝[p1(f),p2(f),...pM(f)]T、x轴振速Vx(f)＝[Vx1(f),Vx2(f),...VxM(f)]T及y轴振速频域信号Vy(f)＝[Vy1(f),Vy2(f),...VyM(f)]T，其中，M为阵元个数、f为频率、T表示转置；步骤二、利用声压频域信号P(f)在0°～180°范围内作频域宽带常规波束形成处理，得到声压信号的空间谱输出Pout(θ)；步骤三、利于双向一阶递归滤波器提取空间谱变化趋势曲线Pα(θ)，对于大于Pα(θ)加上门限DT得到的门限曲线的峰值进行目标角度筛选，得到空间谱输出中高于门限的目标角度在0°～180°角度范围内的方位值θ1,θ2,…θk，简称过门限目标角度，k表示过门限目标角度的个数；步骤四、根据步骤三得到的目标角度在0°～180°角度范围内的方位值θ1,θ2,…θk，逐一对第j个目标角度θj进行矢量阵常规宽带频域波束形成处理，得到θ1,θ2,…θk共计k个角度的矢量空间谱输出Pvcbf(θ),θ＝[θ1,θ2,…θk]；步骤五、根据步骤三得到的目标角度在0°～180°角度范围内的方位值θ1,θ2,…θk，对这k个角度进行基于Bartlett零陷权的波束形成处理，得到左舷零陷后的加权波束形成空间谱输出Pbnfl(θ),θ＝[θ1,θ2,…θk]，再对180°～360°角度范围内的对应的映射角度360‑θj进行基于Bartlett零陷权的波束形成处理，得到右舷零陷后的加权波束形成空间谱输出Pbnfr(θ),θ＝[θ1,θ2,…θk]；步骤六、通过对比θ1,θ2,…θk这k个角度对应的Pvcbf(θ)、Pbnfl(θ)、Pbnfr(θ)三条空间谱输出的数值，对k个角度目标左右舷进行逐一判别，判断k目标的真实的目标角度θT1,θT2,…,θTk和伪峰对应的角度θe1,θe2,…,θek；步骤七、利用步骤六得到的伪峰角度θe1,θe2,…,θek，将对应的声压信号的空间谱输出Pout(θ)中伪峰角度θe处对应的目标伪峰进行消减抑制，由此得到无模糊的空间谱输出Pout(θ)'。...

【技术特征摘要】
1.一种基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法，其特征是包括如下步骤：步骤一、对矢量阵接收的声压p(t)＝[p1(t),p2(t),...pM(t)]T、x轴振速Vx(t)＝[Vx1(t),Vx2(t),...VxM(t)]T及y轴振速时域信号Vy(t)＝[Vy1(t),Vy2(t),...VyM(t)]T进行快速傅里叶变换简称FFT，得到矢量阵声压p(f)＝[p1(f),p2(f),...pM(f)]T、x轴振速Vx(f)＝[Vx1(f),Vx2(f),...VxM(f)]T及y轴振速频域信号Vy(f)＝[Vy1(f),Vy2(f),...VyM(f)]T，其中，M为阵元个数、f为频率、T表示转置；步骤二、利用声压频域信号P(f)在0°～180°范围内作频域宽带常规波束形成处理，得到声压信号的空间谱输出Pout(θ)；步骤三、利于双向一阶递归滤波器提取空间谱变化趋势曲线Pα(θ)，对于大于Pα(θ)加上门限DT得到的门限曲线的峰值进行目标角度筛选，得到空间谱输出中高于门限的目标角度在0°～180°角度范围内的方位值θ1,θ2,…θk，简称过门限目标角度，k表示过门限目标角度的个数；步骤四、根据步骤三得到的目标角度在0°～180°角度范围内的方位值θ1,θ2,…θk，逐一对第j个目标角度θj进行矢量阵常规宽带频域波束形成处理，得到θ1,θ2,…θk共计k个角度的矢量空间谱输出Pvcbf(θ),θ＝[θ1,θ2,…θk]；步骤五、根据步骤三得到的目标角度在0°～180°角度范围内的方位值θ1,θ2,…θk，对这k个角度进行基于Bartlett零陷权的波束形成处理，得到左舷零陷后的加权波束形成空间谱输出Pbnfl(θ),θ＝[θ1,θ2,…θk]，再对180°～360°角度范围内的对应的映射角度360-θj进行基于Bartlett零陷权的波束形成处理，得到右舷零陷后的加权波束形成空间谱输出Pbnfr(θ),θ＝[θ1,θ2,…θk]；步骤六、通过对比θ1,θ2,…θk这k个角度对应的Pvcbf(θ)、Pbnfl(θ)、Pbnfr(θ)三条空间谱输出的数值，对k个角度目标左右舷进行逐一判别，判断k目标的真实的目标角度θT1,θT2,…,θTk和伪峰对应的角度θe1,θe2,…,θek；步骤七、利用步骤六得到的伪峰角度θe1,θe2,…,θek，将对应的声压信号的空间谱输出Pout(θ)中伪峰角度θe处对应的目标伪峰进行消减抑制，由此得到无模糊的空间谱输出Pout(θ)'。2.根据权利要求1所述的基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法，其特征是步骤二具体包括：步骤二一、对声压频域信号P(f)在工作频段带宽B范围内各个频点信号分别进行常规波束形成，得到各频率点的空间谱输出P(fi,θ)：P(fi,θ)＝a(fi,θ)HR(fi)a(fi,θ)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FFT对于信号频带B内的第i个点的频率值，i＝1,2…L，L为信号带宽B内FFT对应的子带个数，L＝B/Δf，Δf为FFT计算时的频率分辨率，fl≤fi≤fh，为频率值fi对应的导向矢量，H表示求共轭转置，θ为角度，声压阵波束形成的角度计算范围取0°～180°；R(fi)表示频率fi的互谱密度矩阵，且R(fi)＝E(P(fi)P(fi)H)，E[·]表示求数学平均，P(fi)为声压频域信号P(f)当频率f等于fi时对应的值；步骤二二、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Pout(θ)，其中，3.根据权利要求1所述的基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法，其特征是步骤三具体包括：步骤三一、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，得到空间谱变化趋势曲线Pα(θ)；步骤三二、将原始空间谱Pout(θ)与Pα(θ)加上门限值DT后的门限曲线PDT(θ)＝Pα(θ)+DT的结果进行比较，对高于门限曲线的峰值进行目标角度筛选，得到0°～180°角度范围内过门限的目标角度θ1,θ2,…θk。4.根据权利要求1所述的基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法，其特征是所述的常规矢量波束形成空...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅继丹，朱英慧，孙大军，马超，耿高营，
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