一种二维波达方向估计声纳信号处理方法技术

本发明专利技术公开了一种二维波达方向估计声纳信号处理方法，包括：１）修正基元输出信号的相位；２）求声纳阵相关函数估计值；３）对声纳阵相关函数估计值进行特征值分解；４）第一求子阵运算；５）求所有子阵对的相关函数估计值；６）对所有子阵对的相关函数估计值进行特征值分解；７）求所有子阵对的特征向量估计值；８）求目标对于声纳阵两个方向的张角的估计值，挑选与最小方差对应的两个张角估计值；９）求目标数估计；１０）第二求子阵运算；１１）求所有二维声纳阵对应的特征向量估计值；１２）求各目标对于声纳阵两个方向的张角的估计值，挑选与最小方差对应的两个张角估计值。本发明专利技术能正确判定目标数、获得更高分辨率的目标三维声像。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种二维高分辨率声纳信号处理方法，特别涉及一种利用二维波达方向(Direction of Arrival，以下简称DOA)估计获得水下目标方位信息的声纳信号处理方法。
技术介绍
在现有技术中，一般采用常规的波束形成技术在二维平面上形成波束，获得目标的三维声像。常规波束形成技术以付氐变换为基础，它的波束角宽为Δθ＝λ/d，其中λ是波长，d是声纳阵的最大尺寸。如果要使波束角宽Δθ减小，获得高的分辨率，通常有两种方法，一种方法是减小波长λ，频率增大，但是缩短了作用距离；另一种方法是增大声纳阵的尺寸d，但是这样会使得声纳阵造价上升，安装不便。近年来，现代阵信号处理发展很快，利用阵的时空相关函数构成矩阵，由此矩阵提取声波的信息，包括声波入射角和振幅等，这种方法被称为波达方向(DOA)估计方法。声纳阵接收的信号中除了目标信号外，还有噪声信号，因此阵时空相关函数矩阵在泛函空间里分解成信号子空间和噪声子空间，两个子空间相互垂直。波达方向估计方法一般分两大类一类是谱基方法，它包括噪声子空间法，又称零空间法，但在小样本、低信噪比和高信号相干性时，此类方法的性能明显下降；另一类是参量法，它包括信号子空间法，参量法的性能明显优于谱基方法。P.Kraeutner等人的专利，专利号US6130641，“Imaging methods andapparatus using model-based array signal processing”中采用现代阵信号处理中的零空间法，即噪声子空间，对换能器阵时空相关函数矩阵进行处理，获得了一维波达方向(DOA)估计的声纳阵信号处理方法，该方法比常规波束形成技术的分辨率高。朱维庆等人的中国专利ZL01142136.3，“用于测量海底微地貌的高分辨率测深侧扫声纳系统和测量方法”和朱维庆等人的美国专利US6873570B2，“High resolution bathymetric sonar system and measuring method for measuring thephysiognomy of the seabed”采用现代阵信号处理中的信号子空间法，对换能器时空相关函数矩阵进行处理，获得了一维波达方向(DOA)估计的声纳阵信号处理方法，该方法比常规波束形成技术的分辨率高。但是，上述已有技术中存在的不足在于已有的声纳信号处理方法中，只用了一维波达方向估计进行声信号处理，另一维是采用常规波束形成技术，从而使得声纳阵探测水下目标的分辨率很低；事实上，在利用声纳阵探测水下目标时，需要二维波达方向(DOA)估计的声信号处理，加上距离轴，才能获得水下目标的高分辨率三维声像。针对现有技术的不足，人们希望有一种二维波达方向估计的声纳信号处理方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服已有技术的不足，提供一种更高分辨率的、实际应用中具有良好性能的二维波达方向估计的声信号处理方法。为了达到上述目的，本专利技术采取如下技术方案，包括如下步骤1)对声纳阵基元输出信号的相位进行修正，所述声纳阵为中心对称二维声纳阵；2)计算声纳阵相关函数估计值；3)对上述声纳阵相关函数估计值进行特征值分解；4)第一求子阵运算将中心对称的二维声纳阵分成分别沿相互垂直的x和y方向的一维声纳阵，每个一维声纳阵分成多个子阵对，每个子阵对的子阵包含相同数量的基元，执行求子阵运算；5)计算所有子阵对的相关函数估计值；6)对所有子阵对的相关函数估计值进行特征值分解；7)计算所有子阵对的特征向量估计值；8)计算目标对于x方向和y方向声纳阵的两个张角的估计值，挑选与最小方差对应的两个张角估计值；9)计算目标数估计，由步骤6)分别求对应x方向和y方向的目标数，如果两方向的目标数不等，则停止运算，否则继续运算；10)第二求子阵运算，将二维声纳阵展成一维，按一维声纳阵的方式选择矩阵；11)求所有二维声纳阵对应的特征向量估计值； 12)计算各目标对于x方向和y方向声纳阵的两个张角的估计值，挑选与最小方差对应的两个张角估计值。在上述技术方案中，所述步骤1)具体包括(1)由多个不相关的信号源，得到声纳阵的输出；(2)计算等效基元间距误差；(3)由等效基元间距误差对声纳阵基元输出信号的相位进行修正。在上述技术方案中，步骤1)中所述中心对称二维声纳阵的形式是矩形、方框形、十字形或圆形等形状，如图1(a)-(d)所示，声纳阵的基元数在二维对称的情形下可以增减。与现有技术相比，本专利技术的优点在于1)可以正确判定目标数；2)利用等效基元间距误差对声纳阵基元输出信号的相位进行修正；3)本专利技术采用多子阵的处理方法，提高目标方位估计精度；4)获得水下目标的三维声像分辨率更高。附图说明图1(a)表示本专利技术的矩形声纳阵示意图；图1(b)表示本专利技术的方框形声纳阵示意图；图1(c)表示本专利技术的十字形声纳阵示意图；图1(d)表示本专利技术的圆形声纳阵示意图；图2表示本专利技术实施例示意图；图3表示本专利技术实施例示意图；图4本专利技术一实施例将十字形声纳阵展开后的子阵选择示意图。具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述能够再现本专利技术的中心对称的二维声纳阵形式有很多种，而且声纳阵元的数目不应该受到限制，以二维中心对称的方式可以增减声纳阵元数目。本实施例以图2中的十字阵为例，来详细说明本专利技术的二维波达方向估计声纳信号处理方法。本专利技术对所有二维中心对称的二维声纳阵均适用，本领域技术人员根据实施例的描述，将本方法应用到其他形式的二维中心对称的声纳阵，是可以胜任的。如图1(a)-(d)所示的四种声纳阵矩形、方框形、十字形和圆形声纳阵，四种声纳阵在x方向和y方向的基元数最多为5个，可分辨4个相干目标。并且，在两个方向最多基元数相等的情形下，十字形状的二维声纳阵的基元数是最少的。如图2所示，本实施例的十字形二维声纳阵在xy平面内，共有9个基元，5号基元为基准点，3、4、5、6、7号基元顺序排在x轴上，构成x方向的一维声纳阵；1、2、5、8、9号基元顺序排在y轴上，构成y方向的一维声纳阵。图2中声纳阵前方有目标A，它的波矢量为K＝k(sinφcosθ sinφsinθ cosφ)T，φ称为俯仰角，θ称为方位角，k为波数，同时也得到sinφcosθ＝sinα (1a)sinφsinθ＝sinβ (1b)称α为x轴声纳阵的张角，以顺时针为正方向；称β为y轴声纳阵的张角，以逆时针为正方向，则K＝k(sinαcosθ sinβ cosθ)T。本专利技术波达方向估计方法解决的技术问题之一是目标数的正确判定。如图3所示，当存在多目标，并且它们之间的连线与x轴或者y轴平行时，会存在目标数的不正确的判定。在图3中，十字形声纳阵布设与图2相同，存在目标1和目标2两个目标，它们的连线与y轴平行，在xy平面的投影关于x轴对称，角α1和α2分别是两个目标对x轴的张角，角β1和β2分别是两个目标对y轴的张角。由图3可见，α1和α2相等，β1和β2大小相等，方向相反，由此得出的结果是对x轴的声纳阵只存在一个目标，对y轴的声纳阵存在两个目标。对于上述情况，如果用直接二维波达方向估计方法，则对x轴和y轴声纳阵的张角均为不等的二个值，也即对x轴的声纳阵多出了一个不存在的α3。这显然是错误的。本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二维波达方向估计声纳信号处理方法，包括如下步骤：１）对声纳阵基元输出信号的相位进行修正，所述声纳阵为中心对称二维声纳阵；２）计算声纳阵相关函数估计值；３）对上述声纳阵相关函数估计值进行特征值分解；４）第一求子阵运算；５）计算所有子阵对的相关函数估计值；６）对所有子阵对的相关函数估计值进行特征值分解；７）计算所有子阵对的特征向量估计值；８）计算目标对于ｘ方向和ｙ方向声纳阵的两个张角的估计值，挑选与最小方差对应的两个张角估计值；９）计算目标数估计，由步骤６）分别求对应相互垂直的两坐标轴ｘ方向和ｙ方向的目标数，如果两方向的目标数不等，则停止运算，否则继续运算；１０）第二求子阵运算；１１）求所有二维声纳阵对应的特征向量估计值；１２）计算各目标对于ｘ方向和ｙ方向声纳阵的两个张角的估计值，挑选与最小方差对应的两个张角估计值。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱维庆，刘晓东，张方生，陈强，刘光军，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]