一种基于水平线列阵的信道脉冲响应被动估计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于水平线列阵的信道脉冲响应被动估计方法，该方法首先对水平阵列接收到的声压信号进行Fourier变换，得到频域声压信号，对频域声压信号进行处理获得阵元位置

【技术实现步骤摘要】
一种基于水平线列阵的信道脉冲响应被动估计方法


[0001]本专利技术属于水声阵列信号处理、水声信道脉冲响应估计、水声探测和声纳
，具体地说，涉及一种基于水平线列阵的信道脉冲响应被动估计方法。

技术介绍

[0002]根据信号与系统理论，水声信号的频谱在数学上可表示为声源频谱与信道脉冲响应函数频谱(也被称为格林函数)的乘积。信道脉冲响应包含了信道的频散和多途等特征，可被应用于水声环境参数反演、声源定位等问题。提取水声信号中的信道脉冲响应可进一步实现与声源频谱的解耦，去除信道的影响并恢复声源信号，这可被应用于水声通信和水下目标识别等领域。
[0003]一般来说，可以使用人为制造的一些宽带脉冲声源来获得特定水声信道的脉冲响应，如声弹、气枪等。但是，这种获取方式往往要求声源和接收装置是合作性的，因而常用于水声调查实验或主动声纳应用的场景。基于特定声源的信道脉冲响应估计方法，一方面会增加信道脉冲响应估计的人力和物力成本；另一方面也会在环境信息未知、非合作的场景下应用受限，例如当监测环境中只存在像航船这样的机会声源，我们可利用的信号只有声源辐射的随机噪声信号。因此，发展可以通过航船噪声或其它海洋环境噪声来进行信道脉冲响应被动估计的方法将更加具有实际意义和经济效益。
[0004]通过对两个接收器获得的海洋环境噪声进行互相关叠加可以得到接收器之间的信道脉冲响应估计(又叫经验格林函数)，但这一方法需要长时间的累积才能获得收敛的结果，使用双垂直阵并结合使用常规波束形成技术可以加速这一收敛过程。但是在浅海中，垂直阵容易受到渔网破坏，其长时间布放的不确定性较大，相比之下使用水平阵的安全性更好。而且对水声目标探测来说，更加有利的是获得目标与接收器之间的信道脉冲响应。基于水平阵的盲解卷积技术可以用于估计接收位置与目标间的信道脉冲响应，并可用于航船噪声的处理，但其估计精度非常依赖于阵元接收信号的信噪比，只有在较高的信噪比条件下才能获得较高精度的估计结果。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对上述技术背景，为解决现有方法的不足，本专利技术提出一种基于水平线列阵的信道脉冲响应被动估计方法。该方法首先对水平阵列接收到的声压信号进行Fourier变换，获得阵元位置
‑
频率域的声强干涉条纹，并提取条纹斜率。然后，提取参考阵元的声压信号的相位，将提取结果依次与其它各阵元接收的声压信号进行互相关。最后，对互相关后的阵列数据，在频域沿着条纹进行波束形成，波束输出即为声源与参考阵元的信道脉冲响应的估计结果。通过沿条纹的相干处理，本专利技术方法可相比盲解卷积方法在更低的信噪比下获得更高的信道脉冲响应估计精度。
[0006]本专利技术提出了一种基于水平线列阵的信道脉冲响应被动估计方法，该方法包括：
[0007]利用水平线列阵获取声源时域声压信号，对时域声压信号进行傅里叶(Fourier)
变换得到频域声压信号；
[0008]对频域声压信号进行处理获得声强干涉条纹，并提取条纹斜率；
[0009]选取参考阵元并提取参考阵元的声压信号的相位，将提取的相位依次与水平线列阵的各阵元接收的频域声压信号进行互相关；
[0010]对互相关后得到的频域数据，根据提取的干涉条纹斜率信息，在频域沿着条纹进行波束形成得到阵列数据；
[0011]对阵列数据进行波束形成得到波束输出，根据波束输出得到声源与参考阵元的信道脉冲响应的估计结果。
[0012]作为上述技术方案的改进之一，所述利用水平线列阵获取声源时域声压信号，包括：
[0013]利用水平线列阵的各阵元接收声源目标辐射的噪声信号或宽带脉冲信号，并进行采样记录得到水平阵接收的时域声压信号。
[0014]作为上述技术方案的改进之一，所述对频域声压信号进行处理获得声强干涉条纹，并提取条纹斜率，包括：
[0015]对频域声压信号进行处理得到声强数据；
[0016]对声强数据进行处理获得在阵元位置
‑
频率域上的强度分布谱图，并利用图像处理方法提取强度分布谱图中干涉条纹的斜率。
[0017]作为上述技术方案的改进之一，所述得到的声强数据I，表达式为：
[0018]I＝[I
n
]N
×1[0019]I
n
＝|P
n
|2[0020]其中，[
·
]N
×1表示阵列为N
×
1，N为阵元总数，n为阵元编号，n＝1,2,
…
,N，I
n
表示第n个阵元的声强数据，P
n
表示第n个阵元的频域信号。
[0021]作为上述技术方案的改进之一，所述图像处理方法为霍夫变换(Hough变换)或拉东变换(Radon变换)。
[0022]作为上述技术方案的改进之一，所述选取参考阵元并提取参考阵元的声压信号的相位，将提取的相位依次与其它各阵元接收的声压信号进行互相关，包括：
[0023]选择第x个阵元作为参考阵元，x＝1,2,
…
,N，N为阵元总数；
[0024]提取第x个阵元接收的频域信号的相位φ
x
＝phase(P
x
)；
[0025]将第x个阵元频域信号的相位φ
x
与N个阵元接收的频域信号做互相关，得到互相关后的频域数据R，表达式为：
[0026]R＝[R
n
]N
×1[0027][0028]其中，n为阵元编号，n＝1,2,
…
,N，[
·
]N
×1表示阵列为N
×
1，x为选取的参考阵元的编号，R
n
表示将第x个阵元频域信号的相位φ
x
与第n个阵元接收的频域信号P
n
做互相关后的频域数据，*表示共轭操作。
[0029]作为上述技术方案的改进之一，所述对阵列数据进行波束形成得到波束输出表达式为：
[0030][0031]其中，为阵列数据，为阵列数据，为第n个阵元的阵列数据，[
·
]N
×1表示阵列为N
×
1，N为阵元总数，为波束扫描的方位角，w为构造的波束形成的权系数，H表示共轭转置。
[0032]作为上述技术方案的改进之一，所述构造的波束形成的权系数w，表达式为：
[0033]w＝[w
n
]N
×1[0034][0035]其中，w
n
为构造的对应第n个阵元的波束形成的权系数，j为虚数单位，e为自然常数，ψ(n)为干涉条纹所对应信号的角频率，D(n)为第n个阵元与参考阵元的间距，c
ref
为选取的参考声速。
[0036]作为上述技术方案的改进之一，所述声源与参考阵元的信道脉冲响应的估计结果，通过波束输出的强度最大值来获得，包括：目标声源与参考阵元之间的信道脉冲响应频域信号G和目本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于水平线列阵的信道脉冲响应被动估计方法，该方法包括：利用水平线列阵获取声源时域声压信号，对时域声压信号进行傅里叶变换得到频域声压信号；对频域声压信号进行处理获得声强干涉条纹，并提取条纹斜率；选取参考阵元并提取参考阵元的声压信号的相位，将提取的相位依次与水平线列阵的各阵元接收的频域声压信号进行互相关；对互相关后得到的频域数据，根据提取的干涉条纹斜率信息，在频域沿着条纹进行波束形成得到阵列数据；对阵列数据进行波束形成得到波束输出，根据波束输出得到声源与参考阵元的信道脉冲响应的估计结果。2.根据权利要求1所述的基于水平线列阵的信道脉冲响应被动估计方法，其特征在于，所述利用水平线列阵获取声源时域声压信号，包括：利用水平线列阵的各阵元接收声源目标辐射的噪声信号或宽带脉冲信号，并进行采样记录得到水平阵接收的时域声压信号。3.根据权利要求1所述的基于水平线列阵的信道脉冲响应被动估计方法，其特征在于，所述对频域声压信号进行处理获得声强干涉条纹，并提取条纹斜率，包括：对频域声压信号进行处理得到声强数据；对声强数据进行处理获得在阵元位置
‑
频率域上的强度分布谱图，并利用图像处理方法提取强度分布谱图中干涉条纹的斜率。4.根据权利要求3所述的基于水平线列阵的信道脉冲响应被动估计方法，其特征在于，所述得到的声强数据I，表达式为：I＝[I
n
]
N
×1I
n
＝|P
n
|2其中，[
·
]
N
×1表示阵列为N
×
1，N为阵元总数，n为阵元编号，n＝1,2,
…
,N，I
n
表示第n个阵元的声强数据，P
n
表示第n个阵元的频域信号。5.根据权利要求3所述的基于水平线列阵的信道脉冲响应被动估计方法，其特征在于，所述图像处理方法为霍夫变换或拉东变换。6.根据权利要求1所述的基于水平线列阵的信道脉冲响应被动估计方法，其特征在于，所述选取参考阵元并提取参考阵元的声压信号的相位，将提取的相位依次与其它各阵元接收的声压信号进行互相关，包括：选择第x个阵元作为参考阵元，x＝1,2,
…
,N，N为阵元总数；提取第x个阵元接收的频域信号的相位φ<...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘昌鹏，周士弘，戚聿波，张雪冬，张地，杨习山，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：