一种基于背景噪声频谱起伏特性的宽带阵列信号处理方法技术

本发明专利技术涉及一种基于背景噪声频谱起伏特性的宽带阵列信号处理方法，该处理方法为：首先通过多次快拍累积得到较准确的频域协方差矩阵估计，同时这也是后续对角减载系数以及后置加权系数得到准确求解的基础；然后对频域协方差矩阵进行特征分解求取对角减载系数，将频域协方差矩阵主对角线元素乘以减载系数后得到新的频域协方差矩阵；使用减载后的频域协方差矩阵进行MVDR波束形成，得到各个频点的空间能量谱；最后使用最优频段加权系数对各个频点的空间能量谱进行加权求和，得到最终的空间能量谱；本发明专利技术在提高弱目标检测性能的同时，改善多目标分辨性能，该技术较常规波束形成器以及MVDR波束形成器具有更好的探测性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水声被动宽带阵列信号处理
，尤其设及一种基于背景噪声频 谱起伏特性的宽带阵列信号处理方法。
技术介绍
宽带阵列信号处理与窄带信号处理相比能够获得更多目标和环境信号，尤其是在 水声信号处理环境中，其环境噪声具有噪声级高、频谱幅度起伏明显、频谱结构复杂等特 点，使得水声宽带阵列信号处理成为近几年的研究热点。在没有任何阵列噪声和目标信号 先验信息的情况下，仅仅对各窄带MVDR的空间能量谱进行等权求和，并不能到达最佳的处 理效果。所W如何实现海洋环境噪声的抑制和获取尽可能多的信号空时频处理增益，是亟 需解决的重点科学问题之一。 在目标方位与非目标方位的阵列输出功率相差最大准则下，推导得到的最优频段 加权技术能够有效提高弱目标的检测性能。但如果低于某一临界频率，输入信噪比与频率 成正比，则此方法会牺牲一定的多目标分辨性能。而在低信噪比条件下，自适应波束形成本 身无法在干扰方位上产生理想的零陷，从而使得干扰泄露到当前扫描波束上，相应地也会 影响其多目标分辨性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于背景噪声频谱起伏 特性的宽带阵列信号处理方法。本专利技术的目的是通过如下技术方案来完成的，该处理方法包括如下步骤： 1)、通过Μ次时域采样得到阵列信号x(m)，为NXM矩阵，N为阵元数;然后进行傅里 叶变换得到NXM维阵元域频域信号Xk(f)，k表示第k次频域快拍，再计算处理频段内各个频 点所对应的频域协方差矩阵 2)、对各个频域协方差矩阵进行K次频域快拍的累积，积分时间可设定，得到累加 后的阵列频域协方差矩阵[000引 3)、利用特征值分解得到的/i的特征值μn，n=l，2，…，N，然后求取特征值的最小 值π?η(μη)Κ及协方差矩阵主对角线上的最大元素巧似./.)))，从而得到对角减载系数 、邱为 4)、将旬毛对角线上的元素均乘Κλαρ，得到对角减载后的协方差矩阵护(/); 5)、对奋^(/)进行MVDR波束形成得至恪个频点的空间能量谱pi(f，θ)，并使用pi(f， 9)中的最小值代替噪声功率作为最优频段加权系数 6)、使用a(f)对处理频段内各频点的空间能量谱进行最优后置频段加权 处理，得到最终的输出空间能量谱为 本专利技术的有益效果为:将MVDR、对角减载W及最优频段加权技术相结合，提出一种 新的宽带阵列信号处理算法，通过对频域协方差矩阵进行对角减载，减少协方差矩阵中的 噪声成份，从而加深自适应波束图在干扰方位的零陷深度，使用后置最优加权技术能够减 少背景噪声频谱起伏特性对输出空间谱的影响，在提高弱目标检测性能的同时，改善多目 标分辨性能，进而改进被动水听器阵列的探测性能。【附图说明】图1是本专利技术的所提算法的处理流程图。图2是本专利技术的算法的单次仿真结果图。图3是本专利技术的算法的方位历程图一。图4是本专利技术的算法的方位历程图二。图5是本专利技术的算法的方位历程图Ξ。【具体实施方式】下面将结合附图对本专利技术做详细的介绍：如附图1所示，本专利技术的处理方法为：首 先通过多次快拍累积得到较准确的频域协方差矩阵估计，同时运也是后续对角减载系数W 及后置加权系数得到准确求解的基础。然后对频域协方差矩阵进行特征分解求取对角减载 系数，将频域协方差矩阵主对角线元素乘W减载系数后得到新的频域协方差矩阵。使用减 载后的频域协方差矩阵进行MVDR波束形成，得到各个频点的空间能量谱。对角减载技术能 够在低信噪比条件下加深设计波束在干扰方位的零陷，从而提高多目标的分辨性能。最后 使用最优频段加权系数对各个频点的空间能量谱进行加权求和，得到最终的空间能量谱， 因为在实际中很难得到真实的输入信噪比，在低信噪比条件下，可W使用噪声功率谱的倒 数作为最优频段加权系数代替理想的输入信噪比参数进行加权求和。其具体包括如下步 骤： 1)、通过Μ次时域采样得到阵列信号x(m)，为NXM矩阵，N为阵元数;然后进行傅里 叶变换得到NXM维阵元域频域信号Xk(f)，k表示第k次频域快拍，再计算处理频段内各个频 点所对应的频域协方差矩阵 2)、对各个频域协方差矩阵进行K次频域快拍的累积，积分时间可设定，得到累加 后的阵列频域协方差矩阵 3)、利用特征值分解得到AC。的特征值μn，n=l，2，…，N，然后求取特征值的最小 值π?η(μη)Κ及协方差矩阵主对角线上的最大元素哀?/Α)，从而得到对角减载系数 入op为 4)、将i(/)主对角线上的元素均乘Κληρ，得到对角减载后的协方差矩阵房(/);5)、对进行MVDR波束形成得到各个频点的空间能量谱Pi(f，θ)，并使用pi(f， 9)中的最小值代替噪声功率作为最优频段加权系数 6)、使用a(f)对处理频段内各频点的空间能量谱进行最优后置频段加权 处理，得到最终的输出空间能量谱文图2为本算法的单次仿真结果，横坐标为方位，纵坐标为空间能量谱的归一化幅 度。为仿真条件为:阵元数32元，阵元间距1.2米，等间隔布阵，采样率为5曲Z，处理频段10~ lOOHz，两个目标方位分别为85°和120%输入信噪比为-3地，处理频段内，信号频谱平稳，噪 声频谱W+6地/oct增加。图中实线为常规MVDR波束形成后各频段空间能量谱均匀加权求和 的结果，点虚线为MVDR后各频段使用最优加权系数进行累加的结果，虚线为本专利技术所提方 法，即对角减载MVDR后再进行最优加权的处理结果，从仿真结果可W看出本专利技术所提方法 的处理效果更好。 图3、图4、图5Ξ图是Ξ种算法的方位历程图，横坐标为方位，纵坐标为历程时间。 仿真条件同图2,通过对比可W得出图5即本成果所提算法能够提高输出信噪比，并且具有 更佳的目标分辨效果。可W理解的是，对本领域技术人员来说，对本专利技术的技术方案及专利技术构思加W等 同替换或改变都应属于本专利技术所附的权利要求的保护范围。【主权项】1. ，其特征在于:该处理方 法包括如下步骤： 1) 、通过Μ次时域采样得到阵列信号x(m)，为NXM矩阵，N为阵元数;然后进行傅里叶变 换得到NXM维阵元域频域信号Xk(f)，k表示第k次频域快拍，再计算处理频段内各个频点所 对应的频域协方差矩阵2) 、对各个频域协方差矩阵进行K次频域快拍的累积，积分时间可设定，得到累加后的 阵列频域协方差矩阵3) 、利用特征值分解得到私/ )的特征值μη，η=1，2，···，Ν，然后求取特征值的最小值min (μη)以及协方差矩阵主对角线上的最大元素，从而得到对角减载系数4) 、将及(/；)主对角线上的元素均乘以，得到对角减载后的协方差矩阵i^/i; 5) 、对6乂/'；1进行MVDR波束形成得到各个频点的空间能量谱Pλ(f，Θ)，并使用Ρλ(f，Θ)中 的最小值代替噪声功率作为最优频段加权系数6) 、使用a(f)对处理频段内各频点的空间能量谱进行最优后置频段加权处理， 得到最终的输出空间能量谱为【专利摘要】本专利技术涉及，该处理方法为：首先通过多次快拍累积得到较准确的频域协方差矩阵估计，同时这也是后续对角减载系数以及后置加权系数得到准确求解的基础；然后对频域协方差矩阵进行特征分解求取对角减载系数，将频域协方差矩阵主对角线元素乘以减载系数后得到新的频域协方差矩阵；使用减载后的频域协方差矩阵进行MVDR波束本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于背景噪声频谱起伏特性的宽带阵列信号处理方法，其特征在于：该处理方法包括如下步骤：1)、通过M次时域采样得到阵列信号x(m)，为N×M矩阵，N为阵元数；然后进行傅里叶变换得到N×M维阵元域频域信号Xk(f)，k表示第k次频域快拍，再计算处理频段内各个频点所对应的频域协方差矩阵2)、对各个频域协方差矩阵进行K次频域快拍的累积，积分时间可设定，得到累加后的阵列频域协方差矩阵R^(f)=1KΣk=1KR^k(f);]]>3)、利用特征值分解得到的特征值μn,n＝1,2,…,N，然后求取特征值的最小值min(μn)以及协方差矩阵主对角线上的最大元素从而得到对角减载系数λop为λop=1-min(μn)max(diag(R^(f)));]]>4)、将主对角线上的元素均乘以λop，得到对角减载后的协方差矩阵5)、对进行MVDR波束形成得到各个频点的空间能量谱Pλ(f,θ)，并使用Pλ(f,θ)中的最小值代替噪声功率作为最优频段加权系数6)、使用a(f)对处理频段[fL,fH]内各频点的空间能量谱进行最优后置频段加权处理，得到最终的输出空间能量谱为Pλ(θ)=Σf=fLfHa(f)Pλ(f,θ).]]>...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周彬，马启明，孙微，杜栓平，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33