本发明专利技术提供了一种基于有效子带选择和检测统计量加权的ISM方法，涉及阵列信号处理领域，根据基阵接收的宽带数据获得子带方位谱向量，从中获得的子带方位谱中选择有效子带，对有效子带的方位谱进行加权，取每个有效子带各自对应的检测统计量作为自己的权，对各子带上的方位谱进行加权求和，得到最终的宽带方位谱，本发明专利技术可以间接反映子带信噪比的大小，提高了对微弱信号的检测能力，提高了宽带处理的信噪比增益，最终得到的宽带DOA估计结果相较于传统ISM方法，有更好的角度分辨率和更低的背景级。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及阵列信号处理领域，尤其是一种宽带目标方位估计方法。
技术介绍
在基于阵列的宽带目标方位估计(Direction of Arrival，DOA)
，非相干子空间法(Incoherent Signal-subband Methods，ISM)和相干子空间法(Coherent Signal-subband Methods，CSM)是目前两种主要的处理方法。CSM方法先将接收宽带数据划分为各个子带分量，通过构造聚焦矩阵，将各子带分量聚焦到参考子带上，最后再用窄带子空间算法进行方位估计，例如MUSIC算法和ISM方法同样先将接收数据划分为各个子带分量，再用窄带子空间算法对各个子带分量进行方位估计，最后将各子带方位谱加权平均得到最终宽带DOA估计。ISM方法不需要目标方位预估计，相较于CSM方法有原理简单、易于实现等优点，但存在低信噪比条件下角度分辨率较差等缺点。实际工作环境中，阵列接收到的宽带信号在各个频带(也称子带)上的能量分布往往是不均匀的，在均匀背景噪声下，导致各个子带上的信噪比不尽相同，因此可以通过选择那些信噪比高的子带来合成宽带方位谱以提高ISM方法的性能。近年来出现了一些ISM的改进方法，提出基于最大功率进行频点选择的方法，只选取具有最大功率的子带进行处理，丢失了接收宽带数据中的其它频带上的有效信息，进而导致有可能会漏掉一些目标方位信息。业界提出基于子带能量加权的改进方法，虽然有一定的改善效果，但由于使用了包括低信噪比子带在内的所用子带，对于低信噪比信号效果不大。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术针对已有宽带信号处理中ISM方法的不足，本专利技术提出一种选择有效子带并对其进行加权，进而合成最终宽带方位谱的方法。该方法利用子带方位谱构造各个子带上的检测统计量，根据此检测统计量选择子带，将选中的子带称为有效子带，并将有效子带的检测统计量作为权值，最终对有效子带输出加权合成出宽带方位谱。由于构造的检测统计量与子带信号的阵列输出信噪比成正相关，本专利技术能够尽可能地保留信噪比较高的子带，同时舍去不包含信号或者 信号比低的子带，从而提高宽带阵列处理性能。因此，对于低信噪比下利用ISM方法进行目标分辨时性能下降的情况，本专利技术提出的方法有较大的改善。本专利技术解决现存问题所采用的技术方案可分为以下3个步骤：步骤1：根据基阵接收的宽带数据获得子带方位谱向量对于接收基阵为阵元个数为M、阵元间距为d的均匀水平线列阵，经采样得到的宽带接收数据，假设采样频率为fs、接收机处理频带范围为[fL,fH]，用带宽为[fL,fH]的数字滤波器对宽带接收数据进行带通滤波，然后通过离散傅里叶变换将宽带接收数据划分为各个子带分量，选取子带频率落在[fL,fH]之间的J个子带分量作为待处理子带，对每个子带分量使用常规波束形成(Conventional Beamforming，CBF)算法，得到各子带分量的方位谱估计，将方位谱估计在相对基阵法线方向的-90°～90°范围内均匀扫描K个方向，得到K个方向上的方位谱估值构成K×1的子带方位谱向量，J个子带共有J个方位谱向量；步骤2：从步骤1中获得的子带方位谱中选择有效子带假设噪声是空间均匀分布的高斯白噪声，记宽带接收数据中只有噪声、不存在信号时用CBF算法得到的方位谱为噪声方位谱，对于噪声方位谱，在相对基阵法线方向-90°～90°范围内均匀扫描K个方向，取其在K个方向上的谱值构成K×1的噪声方位谱向量，噪声方位谱向量由计算机仿真得到，取至少1000次平均值作为最终结果，取子带方位谱向量与噪声方位谱向量夹角的余弦值为T0，构造各个子带上的检测统计量T＝1-T0，设定虚警概率PFA，通过蒙特卡洛重复试验至少10000次得到检测门限值γ，选择检测统计量值大于检测门限值γ的子带作为有效子带，并进入步骤3；步骤3：对步骤2处理得到的有效子带的方位谱进行加权，取每个有效子带各自对应的检测统计量T作为自己的权，对各子带上的方位谱进行加权求和，得到最终的宽带方位谱： p = Σ j = 1 J g j · T j · p . - - - ( 1 ) ]]>式(1)中，有效子带对应的gj值为1，非有效子带对应的子带为0，Tj表示对相 应有效子带的加权，加权后得到最终的宽带方位谱，进而得到目标方位估计的结果。本专利技术的有益效果在于采用子带方位谱向量与噪声方位谱向量之间的夹角余弦值构造检测统计量，构造的检测统计量与子带上的信噪比成正相关，可以间接反映子带信噪比的大小；构造的检测统计量与阵列输出信噪比成正相关，从而利用了阵列增益，提高了对微弱信号的检测能力；利用检测统计量选择有效子带，舍弃噪声子带，最终提高了宽带处理的信噪比增益；利用各个子带上的检测统计量的值对各子带进行加权，可进一步降低宽带方位谱的背景级，最终得到的宽带DOA估计结果相较于传统ISM方法，有更好的角度分辨率和更低的背景级。附图说明图1为本专利技术的接收阵列示意图。图2为本专利技术的本专利技术中所涉及步骤的流程图。图3为本专利技术的单目标、非相关噪声下的实施效果图。图4为本专利技术的多目标、相关噪声下的实施效果图。图5为本专利技术的不同窄带DOA估计算法的实施效果图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。本专利技术的主要内容有：基于子带方位谱向量与噪声方位谱向量之间的夹角构造每个子带上的检测统计量，根据虚警概率设定检测门限，选择检测统计量值大于门限值的相应子带作为有效子带。选取有效子带相应的检测统计量值作为权值，将有效子带方位谱加权合成得到最终的宽带方位谱。通过计算机数值仿真，对本专利技术所提出的方法进行了检验，证明了本专利技术中提出方法对传统ISM方法较大的改进作用。设目标信号为声波，其在水下的传播速度为1500m/s。接收基阵的阵元个数为32，阵元间距为0.5米。接收机处理带宽为50Hz～1000Hz。采样频率为4kHz，每个采样数据段时间长度为1s，每次处理时取64个数据段。目标信号由连续谱(宽带高斯信号)和 线谱信号组成。目标一频带范围为450Hz～650Hz，含有459Hz、551Hz的线谱，目标方位为10°；目标二频带范围为550Hz～750Hz，含有587Hz、703Hz的线谱，目标方位为20°。频谱级信噪比定义为为信号功率，为噪声功率。实施中设定虚警概率为0.001，进行蒙特卡洛重复试验10000次以获得检测门限的值。以典型的水声环境下被动声呐目标方位估计的过程为例，给出本专利技术的实施实例。步骤1：根据基阵接收的宽带数据获得子带方位谱向量对于接收基阵为阵元个数为M、阵元间距为d的均匀水平线列阵，经采样得到的宽带接收数据，假设采样频率为fs、接收机处理频带范围为[fL,fH]，用带宽为[fL,fH]的数字滤波器对宽带接收数据进行带通滤波，然后通过离散傅里叶变换将宽带接收数据划分为各个子带分量，选取子带频率落在[f本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于有效子带选择和检测统计量加权的ISM方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1：根据基阵接收的宽带数据获得子带方位谱向量对于接收基阵为阵元个数为M、阵元间距为d的均匀水平线列阵，经采样得到的宽带接收数据，假设采样频率为fs、接收机处理频带范围为[fL,fH]，用带宽为[fL,fH]的数字滤波器对宽带接收数据进行带通滤波，然后通过离散傅里叶变换将宽带接收数据划分为各个子带分量，选取子带频率落在[fL,fH]之间的J个子带分量作为待处理子带，对每个子带分量使用CBF算法，得到各子带分量的方位谱估计，将方位谱估计在相对基阵法线方向的‑90°～90°范围内均匀扫描K个方向，得到K个方向上的方位谱估值构成K×1的子带方位谱向量，J个子带共有J个方位谱向量；步骤2：从步骤1中获得的子带方位谱中选择有效子带假设噪声是空间均匀分布的高斯白噪声，记宽带接收数据中只有噪声、不存在信号时用CBF算法得到的方位谱为噪声方位谱，对于噪声方位谱，在相对基阵法线方向‑90°～90°范围内均匀扫描K个方向，取其在K个方向上的谱值构成K×1的噪声方位谱向量，噪声方位谱向量由计算机仿真得到，取至少1000次平均值作为最终结果，取子带方位谱向量与噪声方位谱向量夹角的余弦值为T0，构造各个子带上的检测统计量T＝1‑T0，设定虚警概率PFA，通过蒙特卡洛重复试验至少10000次得到检测门限值γ，选择检测统计量值大于检测门限值γ的子带作为有效子带，并进入步骤3；步骤3：对步骤2处理得到的有效子带的方位谱进行加权，取每个有效子带各自对应的检测统计量T作为自己的权，对各子带上的方位谱进行加权求和，得到最终的宽带方位谱：p=Σj=1Jgj·Tj·p.---(1)]]>式(1)中，有效子带对应的gj值为1，非有效子带对应的子带为0，Tj表示对相应有效子带的加权，加权后得到最终的宽带方位谱，进而得到目标方位估计的结果。...
【技术特征摘要】
1.一种基于有效子带选择和检测统计量加权的ISM方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1：根据基阵接收的宽带数据获得子带方位谱向量对于接收基阵为阵元个数为M、阵元间距为d的均匀水平线列阵，经采样得到的宽带接收数据，假设采样频率为fs、接收机处理频带范围为[fL,fH]，用带宽为[fL,fH]的数字滤波器对宽带接收数据进行带通滤波，然后通过离散傅里叶变换将宽带接收数据划分为各个子带分量，选取子带频率落在[fL,fH]之间的J个子带分量作为待处理子带，对每个子带分量使用CBF算法，得到各子带分量的方位谱估计，将方位谱估计在相对基阵法线方向的-90°～90°范围内均匀扫描K个方向，得到K个方向上的方位谱估值构成K×1的子带方位谱向量，J个子带共有J个方位谱向量；步骤2：从步骤1中获得的子带方位谱中选择有效子带假设噪声是空间均匀分布的高斯白噪声，记宽带接收数据中只有噪声、不存在信号时用CBF算法得到的方位谱为噪声方位谱，对于噪声方位谱，在相对基阵法线方向-90°～90°范围内均匀扫描K个方向，取其在K个方向上的谱值构成K×1的噪声方位谱向量，噪声方位谱向量由计算机仿真得到，取至少1...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙超，孔德智，刘雄厚，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。