一种用于高保真阵列处理的宽带时延估计方法技术

本发明专利技术公开了一种用于高保真阵列处理的宽带时延估计方法，包括如下步骤：(1)求取波束能量图，估计目标方位(2)对源信号进行预重构，检测预重构源信号的功率谱线谱位置(3)计算参考阵元采集数据的功率谱对应频率线谱的频域信噪比；(4)计算对应频率线谱的阵元间相位差；(5)对基于不同频率线谱估计的阵元间相位差进行加权融合，估计目标信号宽带时延矢量(6)从基阵采集数据中对源信号进行二次重构。该方法基于目标信号不同频率的线谱具有相同的阵元间时延，根据线谱的频率和频域信噪比对基于不同频率线谱估计的阵元间相位差进行加权融合，计算更为精确的目标信号宽带时延矢量，获取保真增强的重构源信号。

A Broadband Time Delay Estimation Method for High Fidelity Array Processing

The invention discloses a broadband time delay estimation method for high fidelity array processing, which includes the following steps: (1) obtaining beam energy diagram, estimating target azimuth (2) pre-reconstructing source signal, detecting the position of power spectrum line spectrum of pre-reconstructed source signal (3) calculating the frequency domain signal-to-noise ratio of power spectrum corresponding to frequency line spectrum of reference array acquisition data; (4) calculating the element of corresponding frequency line spectrum. Inter-phase difference; (5) Weighted fusion of phase difference between elements based on line spectrum estimation of different frequencies is used to estimate the wideband delay vector of target signal. (6) The source signal is reconstructed from the array data. The method is based on the fact that the line spectrum of the target signal at different frequencies has the same inter-array delay. The phase difference between the elements estimated from the line spectrum at different frequencies is fused by weighting the line spectrum frequency and the signal-to-noise ratio in frequency domain. The broadband delay vector of the target signal is calculated more accurately, and the reconstructed source signal with fidelity enhancement is obtained.

【技术实现步骤摘要】
一种用于高保真阵列处理的宽带时延估计方法
本专利技术属于声纳信号处理领域，尤其涉及一种用于高保真阵列处理的宽带时延估计方法。
技术介绍
水声目标分类识别是水声信号处理的重要课题之一。对于被动声纳目标分类识别，关键是目标辐射噪声的特征提取。为了提高特征提取的性能，波束形成处理是从传感器阵列信号中重构源信号，在空间上抗噪声和分离多目标干扰的有效手段和常用方法。但在水声环境中，由于阵元位置的误差、平面波的假设以及目标方位角的估计误差等，都可能造成常规波束形成方法跟踪波束输出时出现时延失配，从而造成信号在功率谱和解调谱等特征方面的畸变，从而影响目标分类识别的效果。所以对于目标识别这一特殊的声纳使命任务，高保真重构源信号及特征的宽带阵处理方法是必须重视的研究课题。目前国内外学者提出了许多高保真宽带阵处理方法，主要有：(1)阵形校正：通过估计误差参数来实现对阵形的校正，该类方法首先对阵列误差进行建模，将阵列误差校正转化为参数估计的问题。该类阵形校正方法通常可以分为有源校正类和自校正类。对于有源校正方法，该方法对辅助信号源有着较高的精确方位信息的要求，所以当辅助信号源的方位信息有偏差时，这类校正算法会带来较大的偏差。自校正算法由于阵元位置误差与方位参数之间的耦合和某些病态的阵列结构，参数估计的唯一辨识往往无法保证，更为重要的是参数联合估计对应的高维、多模非线性优化问题带来了庞大的运算量，估计的全局收敛性往往无法保证。(2)聚焦波束形成：根据测量区内不同方位和距离对时延差进行球面波补偿，获得测量区内目标声源的分布图，以实现近场目标的高精度被动定位，根据估计的目标距离和方位采用常规球面波波束形成高保真重构源信号，该技术原理简单、易于实现，能够有效解决近场源条件下平面波假设带来的阵元间时延失配问题，但运算量大且不能解决阵元位置误差带来的时延失配(3)ESPRIT(借助旋转不变性估计信号参数)超分辨测向：利用阵列的平移不变性来进行参数估计，可直接通过特征值获得信号参数，该方法无需进行计算量极大的谱峰搜索，无需存储阵列流行矩阵，但要求阵形精确已知(4)恒定束宽波束形成：选择在宽带信号带宽内各频率分量上波束形成的加权向量，使得基阵系统对不同频率的输入信号具有相同的空间滤波响应，该技术可消除目标方位角估计误差造成的跟踪波束输出信号的非线性失真，但运算量大且不能解决由于阵元位置的误差、平面波的假设以及目标方位角的估计误差等造成的时延失配(5)零导向波束形成：调整权值，使阵响应在信号方向为1，在干扰方向为0，从而达到抑制干扰的目的，它实际上是使波束图在干扰方向形成零点，该技术对消除定向干扰有重要作用，但需要对信号和干扰方位以及阵形信息精确已知。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术中存在的问题，本专利技术公开了一种用于高保真阵列处理的宽带时延估计方法，该方法基于目标信号不同频率的功率谱线谱具有相同的阵元间时延这一特性，根据线谱的频率和频域信噪比对基于不同频率线谱估计的阵元间相位差进行加权融合，计算更为精确的目标信号宽带时延矢量，获取保真增强的重构源信号。技术方案：为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种用于高保真阵列处理的宽带时延估计方法，包括如下步骤：(1)基于目标信号远场平面波入射和阵形无畸变两个假设，计算基阵采集数据不同方位的预成波束数据，求取波束能量图，估计目标方位(2)基于目标信号远场平面波入射和阵形无畸变两个假设，从基阵采集数据中按估计的目标方位对源信号进行预重构，检测预重构源信号s1[n]，n＝1，2，...，N的功率谱线谱位置fk，k＝1，2，...，K，计算线谱频率的精测值其中K为检测出的频率小于V/(2d)的功率谱线谱根数，V为声波在水中的传播速度，d为均匀线阵阵元间距；(3)计算参考阵元H1采集数据的功率谱在位置处线谱的频域信噪比SNRk，k＝1，2，...，K；(4)计算基阵采集数据的频谱在位置处线谱的阵元间相位差其中，M为基阵阵元数目；(5)根据线谱频率和频域信噪比对基于不同频率线谱估计的阵元间相位差进行加权融合，估计目标信号宽带时延矢量(6)根据估计的目标信号宽带时延矢量从基阵采集数据中对源信号进行二次重构，获取保真增强的重构源信号s2[n]，n＝1，2，...，N。优选的，步骤(1)中，采用如下方法计算基阵采集数据的波束能量图，估计目标方位，具体包括如下步骤：(1-1)计算按等余弦划分的预成波束角度：其中，θi为第i个预成波束的角度，以基阵第一个阵元为坐标原点，建立平面直角坐标系，基阵第m个阵元的坐标为[-(m-1)d，0]，m＝1，2，...，M，θi角度定义为原点和目标坐标的连线与x轴的夹角，θi∈[0，π]，表示计算的反余弦，I为预成波束个数，d为均匀线阵阵元间距；(1-2)基于目标信号远场平面波入射和阵形无畸变两个假设，计算均匀线阵相邻阵元采集信号在预成波束角度θi下的时延差τi：其中，cos(θi)表示计算θi的余弦值，V为声波在水中的传播速度；(1-3)按如下波束形成算法；以基阵阵首第一个阵元H1为参考阵元，计算预成波束角度θi对应的预成波束数据其中，M为基阵阵元数目，xm[n]表示第m个阵元第n个采样数据，N为预成波束数据离散点数，fs为基阵采集数据时的采样频率；(1-4)计算基阵采集数据在预成波束角度θi下的波束能量E[i]：(1-5)估计目标方位搜索E[i]最大值所对应的预成波束索引iMax其中，argmax1≤i≤I{E[i]}表示在1≤i≤I范围内搜索E[i]最大值所对应的预成波束索引iMax。若1＜iMax＜I，将分别记作Z-1、Z0、Z1，则基于抛物线三点插值估计的目标方位为：优选的，在步骤(2)中，采用如下方法检测预重构源信号的功率谱线谱位置fk，计算线谱频率的精测值具体包括如下步骤：(2-1)按如下波束形成算法，以基阵阵首第一个阵元H1为参考阵元，从基阵采集数据中按估计的目标方位对源信号进行预重构，获取预重构源信号s1[n]：(2-2)计算预重构源信号s1[n]的离散频谱：则预重构源信号s1[n]的功率谱为：其中，l为S1[l]和P1[l]的离散频率索引，j表示虚数单位，即||代表取模值运算；(2-3)将功率谱P1[l]通过Q阶中值滤波器得到功率谱P1[l]的趋势项C1[l]，l＝0，1，...，N/2，则功率谱P1[l]与趋势项C1[l]的差值谱D1[l]为：D1[l]＝P1[l]-C1[l]，l＝0，1，...，N/2D1[l]的规范化差值谱为：其中，std(D1[l])是求D1[l]的标准差；(2-4)设定幅度门限G提取功率谱线谱，若D2(l)满足如下条件则判为功率谱线谱：假设共提取出K根频率小于V/2d的功率谱线谱，第k根线谱在D2[l]中的索引为Jk，则第k根线谱的频率为：fk＝JkΔf，k＝1，2，...，K其中，Δf为长度为N的离散傅里叶变换的频率分辨率，Δf＝fs/N；(2-5)取S1[l]在离散频率索引(Jk-1)，Jk，(Jk+1)处的模值，分别记作Ak1，Ak2，Ak3，即Ak1＝|S1[Jk-1]|，Ak2＝|S1[Jk]|，Ak3＝|S1[Jk+1]|，利用所述模值Ak1，Ak2，Ak3计算第k根功率谱线谱频率插值的相对偏差δk，即：则本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于高保真阵列处理的宽带时延估计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)基于目标信号远场平面波入射和阵形无畸变两个假设，计算基阵采集数据不同方位的预成波束数据，求取波束能量图，估计目标方位

【技术特征摘要】
1.一种用于高保真阵列处理的宽带时延估计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)基于目标信号远场平面波入射和阵形无畸变两个假设，计算基阵采集数据不同方位的预成波束数据，求取波束能量图，估计目标方位(2)基于目标信号远场平面波入射和阵形无畸变两个假设，从基阵采集数据中按估计的目标方位对源信号进行预重构，检测预重构源信号s1[n]的功率谱线谱位置fk，计算线谱频率的精测值其中，k＝1，2，...，K，K为检测出的频率小于V/(2d)的功率谱线谱根数，V为声波在水中的传播速度，d为均匀线阵阵元间距，N为预成波束数据离散点数，n＝1，2，...，N；(3)计算参考阵元H1采集数据的功率谱在位置处线谱的频域信噪比SNRk；(4)计算基阵采集数据的频谱在位置处线谱的阵元间相位差其中，M为基阵阵元数目；(5)根据线谱频率和频域信噪比对基于不同频率线谱估计的阵元间相位差进行加权融合，估计目标信号宽带时延矢量(6)根据估计的目标信号宽带时延矢量从基阵采集数据中对源信号进行二次重构，获取保真增强的重构源信号s2[n]。2.根据权利要求1所述的一种用于高保真阵列处理的宽带时延估计方法，其特征在于，步骤(1)中，采用如下方法计算基阵采集数据的波束能量图，估计目标方位具体包括如下步骤：(1-1)计算按等余弦划分的预成波束角度：其中，θi为第i个预成波束的角度，以基阵第一个阵元为坐标原点，建立平面直角坐标系，基阵第m个阵元的坐标为[-(m-1)d，0]，m＝1，2，...，M，θi角度定义为原点和目标坐标的连线与x轴的夹角，θi∈[0，π]，表示计算的反余弦，I为预成波束个数，d为均匀线阵阵元间距；(1-2)基于目标信号远场平面波入射和阵形无畸变两个假设，计算均匀线阵相邻阵元采集信号在预成波束角度θi下的时延差τi：其中，cos(θi)表示计算θi的余弦值，V为声波在水中的传播速度；(1-3)按如下波束形成算法，以基阵阵首第一个阵元H1为参考阵元，计算预成波束角度θi对应的预成波束数据其中，M为基阵阵元数目，xm[n]表示第m个阵元第n个采样数据，N为预成波束数据离散点数，fs为基阵采集数据时的采样频率；(1-4)计算基阵采集数据在预成波束角度θi下的波束能量E[i]：(1-5)估计目标方位搜索E[i]最大值所对应的预成波束索引iMax其中，argmax1≤i≤I{E[i]}表示在1≤i≤I范围内搜索E[i]最大值所对应的预成波束索引iMax，若1＜iMax＜I，将分别记作Z-1、Z0、Z1，则基于抛物线三点插值估计的目标方位为：3.根据权利要求2所述的一种用于高保真阵列处理的宽带时延估计方法，其特征在于，在步骤(2)中，采用如下方法检测预重构源信号的功率谱线谱位置fk，计算线谱频率的精测值具体包括如下步骤：(2-1)按如下波束形成算法，以基阵阵首第一个阵元H1为参考阵元，从基阵采集数据中按估计的目标方位对源信号进行预重构，获取预重构源信号s1[n]：(2-2)计算预重构源信号s1[n]的离散频谱：则预重构源信号s1[n]的功率谱为：其中，l为S1[l]和P...

【专利技术属性】
技术研发人员：方世良，朱传奇，罗昕炜，安良，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32