一种基于互相关虚拟阵的五元体积阵多目标方位估计方法技术

本发明专利技术提供了一种基于互相关虚拟阵的五元体积阵多目标方位估计方法，使用的五元体积阵结构获取各阵元在多个窄带信源入射下的接收信号；在各阵元接收信号之间做互相关处理，得到一个25元虚拟体积阵以及对应的输出序列；将同一位置上重叠的虚拟阵元所对应的输出序列求平均，得到一个17元虚拟体积阵以及对应的输出序列；对所获得的17元虚拟体积阵的输出序列采用MVDR方法进行二维方位估计，获得多个目标对应的方位角和俯仰角。本发明专利技术增加了阵列自由度，并且抑制了噪声，从而提高五元体积阵在低信噪比下方位估计的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种目标方位估计方法。
技术介绍
在低空目标探测等方面，小尺度基阵以结构简单、布放便利等特性得以广泛应用(徐小哲，小尺度基阵空气声被动定向[D].西北工业大学,2005.)。而传统的目标方位估计方法，如常规波束形成法(ConventionalBeamForming，CBF)、最小方差无失真响应法(MinimumVarianceDistortionlessResponse，MVDR)和多重信号分类法(MUltipleSIgnalClassification,MUSIC)，在满足阵元间距等于半波长条件的大型基阵中具有很好的目标方位估计效果。但是小尺度基阵的阵元间距小且阵元数目少，并且所探测目标的信号频率范围较广，导致阵元间距无法满足半波长的条件，因此将传统的方位估计方法应用于小尺度基阵时，方位估计性能较差。为了提高小尺度基阵的目标方位估计性能，王学青(王学青，时银水，朱岩.四元平面方阵对空声时延定位误差分析[J].电声技术,2005(11):4-6.)、程翔(程翔，张河.高低四元阵定位算法及其精度分析[J].探测与控制学报,2006,28(4):12-14.)、孙书学(孙书学，顾晓辉，孙晓霞.用正四棱锥形阵对声目标定位研究[J].应用声学,2006,25(2):102-108.)和林晓东(林晓东，吴松林，张川.六元探测基阵被动声定位算法及其性能研究[J].声学技术,2008,27(2):192-196.)等人研究了不同阵型的小尺度基阵目标方位估计的性能和影响因素。但是，上述研究中的方法都是直接根据阵元接收信号间的时延差和数学模型计算出目标的方位和距离，对目标方位估计算法没有更深入的研究。另外，未考虑多目标情况下的目标分辨问题，同时也未考虑信噪比(Signal-to-NoiseRatio，SNR)对方位估计的影响。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术针对五元体积阵提出一种基于互相关虚拟阵列的最小方差无失真响应(Cross-CorrelationMinimumVarianceDistortionlessResponse,CC_MVDR)多目标方位估计方法，将互相关处理和Toeplitz平均处理相结合，有效改善传统方法在低信噪比下目标方位估计的性能，提高五元体积阵多目标方位估计的性能。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：1)获取五元体积阵各阵元在D个窄带信源入射下的接收信号X(t)；其中，窄带信源的频率由五元体积阵所探测目标的频率特性确定，而常见的直升机、坦克和装甲车等目标噪声信号的频率范围都在400Hz以内；所述的五元体积阵由5个麦克风Sm作为阵元组成，4个阵元位于正方形的四个顶点，第5个阵元位于正方形中心的正上方，第m个阵元的位置坐标记为Pm，m＝1,2,…,5，五个阵元到正方形中心的距离均为r，其值为信号波长的四分之一；假设目标位于(x，y，z)处，与坐标原点的连线和Z轴正方向的夹角定义为俯仰角连线在XOY平面的投影和X轴正方向的夹角定义为方位角θ；每个窄带信源相对于五元体积阵的方位为d＝1,2,…,D，信号的时域快拍数为L，各阵元上的加性白噪声彼此独立，且为平稳、零均值高斯白噪声，方差为σ2，则阵元的接收信号X(t)＝VS(t)+N(t)，其中，X(t)＝[X1(t)X2(t)…X5(t)]T为5×L维基阵接收数据矩阵，其中Xm(t)为阵元m的接收数据向量；S(t)为D×L维目标信号数据矩阵；N(t)为5×L维基阵接收噪声数据矩阵；为阵列流形向量组成的矩阵，其中目标d的阵列流形向量式中，为波数向量，λd为信号的波长；2)在各阵元接收信号之间做互相关处理，由此得到一个25元虚拟体积阵Pij＝Pj-Pi以及对应的输出序列i,j＝1,2,…,5，式中，表示i号阵元接收信号Xi(t)的共轭，τ的取值范围为[-(L-1),L-1]，E[]表示求期望；3)在得到的25元虚拟体积阵中，将同一位置上重叠的虚拟阵元所对应的输出序列求平均，作为该位置上新的虚拟阵元输出序列，得到一个17元虚拟体积阵以及对应的输出序列；4)对所获得的17元虚拟体积阵的输出序列Y求协方差矩阵R＝YYH；采用MVDR方法进行二维方位估计，获得二维空间功率谱式中，为17×1维空间扫描向量，R-1表示协方差矩阵R的逆；最后根据二维空间功率谱图中峰值的数目和对应的位置确定目标的数目和各目标的方位角、俯仰角。本专利技术的有益效果是：通过在接收信号之间做互相关处理和求平均处理，将五元体积阵扩展到17元虚拟体积阵，增加了阵列自由度，并且抑制了噪声，从而提高五元体积阵在低信噪比下方位估计的性能。本专利技术的基本原理经过了理论推导，实施方案经过了计算机数值仿真的验证，其结果表明本专利技术提出的方法可以有效地提升五元体积阵目标方位估计的性能。附图说明图1是本专利技术中使用的五元体积阵示意图；图2是经过互相关处理后得到的25元虚拟阵示意图；图3是SNR＝0dB时目标方位估计结果图；图4是SNR＝0dB时MVDR方法的二维方位谱图；图5是SNR＝0dB时CC_MVDR方法的二维方位谱图；图6是SNR＝-10dB时目标方位估计结果图；图7是SNR＝-10dB时MVDR方法的二维方位谱图；图8是SNR＝-10dB时CC_MVDR方法的二维方位谱图。具体实施方式下面结合附图和实施实例对本专利技术进一步说明，本专利技术包括但不仅限于下述实例。本专利技术的主要内容有：1)针对图1所示的五元体积阵(4个阵元位于正方形的四个顶点，第5个阵元位于正方形中心的正上方，五个阵元到正方形中心的距离为r，r取值为信号波长的四分之一)，利用各阵元上接收信号相关性较高而噪声相关性较低的特性，在各阵元的接收信号之间做互相关处理以抑制噪声，并得到一个25元虚拟体积阵以及对应的输出序列。对25元虚拟体积阵中位置重叠的虚拟阵元上的输出序列求平均，得到一个17元虚拟体积阵以及对应的输出序列。最后，利用MVDR方法处理17元虚拟体积阵的输出序列，获得多个目标的二维方位估计结果。2)通过计算机数值仿真，对本专利技术所提出的基于互相关处理的五元体积阵MVDR多目标方位估计方法进行了检验，证明了本专利技术中针对五元体积阵提出的多目标方位估计方法的有效性。本专利技术解决现存问题所采用的技术方案可分为以下4个步骤：1)针对本专利技术所使用的五元体积阵结构(阵列结构如图1所示，即4个阵元位于正方形的四个顶点，第5个阵元位于正方形中心的正上方，五个阵元到正方形中心的距离为r，r取值为信号波长的四分之一)，获取各阵元在多个窄带信源入射下的接收信号；2)在各阵元接收信号之间做互相关处理，由此得到一个25元虚拟体积阵以及对应的输出序列；3)在得到的25元虚拟体积阵中，(0，0，0)坐标处有五个重叠的虚拟阵元；(r，r，0)坐标处有两个重叠的虚拟阵元；(-r，r，0)坐标处有两个重叠的虚拟阵元；(-r，-r，0)坐标处有两个重叠的虚拟阵元；(r，-r，0)坐标处有两个重叠的虚拟阵元。将同一位置上重叠的虚拟阵元所对应的输出序列求平均，作为该位置上新的虚拟阵元输出序列，即：(0，0，0)坐标处是五个重叠的虚拟阵元上输出序列的平均，(r，r，0)坐标、(-r，r，0)坐标、(-r，-r，0)坐标和(r，-r，0)坐标分别是两个重叠的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于互相关虚拟阵的五元体积阵多目标方位估计方法，其特征在于包括下述步骤：1)获取五元体积阵各阵元在D个窄带信源入射下的接收信号X(t)；所述的五元体积阵由5个麦克风Sm作为阵元组成，4个阵元位于正方形的四个顶点，第5个阵元位于正方形中心的正上方，第m个阵元的位置坐标记为Pm，m＝1,2,…,5，五个阵元到正方形中心的距离均为r，其值为信号波长的四分之一；假设目标位于(x，y，z)处，与坐标原点的连线和Z轴正方向的夹角定义为俯仰角连线在XOY平面的投影和X轴正方向的夹角定义为方位角θ；每个窄带信源相对于五元体积阵的方位为d＝1,2,…,D，信号的时域快拍数为L，各阵元上的加性白噪声彼此独立，且为平稳、零均值高斯白噪声，方差为σ2，则阵元的接收信号X(t)＝VS(t)+N(t)，其中，X(t)＝[X1(t)X2(t)…X5(t)]T为5×L维基阵接收数据矩阵，其中Xm(t)为阵元m的接收数据向量；S(t)为D×L维目标信号数据矩阵；N(t)为5×L维基阵接收噪声数据矩阵；为阵列流形向量组成的矩阵，其中目标d的阵列流形向量式中，为波数向量，λd为信号的波长；2)在各阵元接收信号之间做互相关处理，由此得到一个25元虚拟体积阵Pij＝Pj‑Pi以及对应的输出序列i,j＝1,2,…,5，式中，表示i号阵元接收信号Xi(t)的共轭，τ的取值范围为[‑(L‑1),L‑1]，E[]表示求期望；3)在得到的25元虚拟体积阵中，将同一位置上重叠的虚拟阵元所对应的输出序列求平均，作为该位置上新的虚拟阵元输出序列，得到一个17元虚拟体积阵以及对应的输出序列；4)对所获得的17元虚拟体积阵的输出序列Y求协方差矩阵R＝YYH；采用MVDR方法进行二维方位估计，获得二维空间功率谱式中，为17×1维空间扫描向量，R‑1表示协方差矩阵R的逆；最后根据二维空间功率谱图中峰值的数目和对应的位置确定目标的数目和各目标的方位角、俯仰角。...

【技术特征摘要】
1.一种基于互相关虚拟阵的五元体积阵多目标方位估计方法，其特征在于包括下述步骤：1)获取五元体积阵各阵元在D个窄带信源入射下的接收信号X(t)；所述的五元体积阵由5个麦克风Sm作为阵元组成，4个阵元位于正方形的四个顶点，第5个阵元位于正方形中心的正上方，第m个阵元的位置坐标记为Pm，m＝1,2,…,5，五个阵元到正方形中心的距离均为r，其值为信号波长的四分之一；假设目标位于(x，y，z)处，与坐标原点的连线和Z轴正方向的夹角定义为俯仰角连线在XOY平面的投影和X轴正方向的夹角定义为方位角θ；每个窄带信源相对于五元体积阵的方位为d＝1,2,…,D，信号的时域快拍数为L，各阵元上的加性白噪声彼此独立，且为平稳、零均值高斯白噪声，方差为σ2，则阵元的接收信号X(t)＝VS(t)+N(t)，其中，X(t)＝[X1(t)X2(t)…X5(t)]T为5×L维基阵接收数据矩阵，其中Xm(t)为阵元m的接收数据向量；S...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙超，蒋国庆，刘雄厚，荣英佼，
申请(专利权)人：西北工业大学，中国人民解放军六三九八三部队，
类型：发明
国别省市：陕西;61