CN102121982A - 基于声级差的定向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声级差的定向方法，包括如下步骤：使用两个或多个有指向性水听器进行布阵，采用声轴方向有一定开角的有指向性水听器来接收信号，不同阵元接收信号存在声级差，根据水听器的指向性图和声轴方向的开角得到声级差与目标方位对应关系图；通过信号处理模块对不同阵元接收信号进行时频变换，计算对应的时频点模的比值，并对此比值进行柱状统计来计算不同目标对应的声级差，根据此声级差及前面得到的声级差与目标方位的对应关系来计算目标的方位。本发明有益的效果是：阵型设计简单，由于不涉及信号的相位与时延信息有效的避免的角度模糊问题及精确布阵的限制。

Description

基于声级差的定向方法

技术领域

本发明涉及声测向技术，主要是一种基于声级差的定向方法。

背景技术

现在常用的声测向技术主要是基于不同阵元接收信号的时延差或相位差，如波束形成方法，基于时延的定向方法等，其中时延估计方法主要有直接相关法，广义相关法，相位谱法，参量模型时延估计法和自适应滤波法，后来出现一些改进的算法如高阶统计量法等。基于时延或相位的定向算法由于

项的周期性，当信号频率过高时，会产生角度模糊，无法确定目标的真实方位；并且对于高频信号，阵元位置很小的测量误差就会严重影响其估计精度，故对阵元位置的测量精度要求比较高或需要对各阵元数据进行相位校准。

人类左右耳的间距约为0.2m，其处理的频带范围却可以达到20～20000Hz，远远超过了产生角度模糊的频带范围，研究表明这主要是人耳对高频信号采用双耳接收信号的声级差来进行定向的，从而为解决高频信号的角度模糊问题提供了启发。

发明内容

本发明的目的正是要克服上述技术的不足，而提供一种基于声级差的定向方法，利用传感器接收的信号来估计目标方位，并进行实时跟踪的技术方案，特别适合于高频信号的情况，阵型设计简单，由于不涉及信号的相位与时延信息有效的避免的角度模糊问题及精确布阵的限制。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：为了避免高频信号定向过程中的角度模糊问题及布阵误差对定向精度的影响，此方案提出一种阵型结构来引入不同阵元接收信号的声级差(或强度差)，并给出利用不同阵元接收信号的声级差来估计目标方位的算法，可以精确的估计目标的方位而不会产生角度模糊。这种基于声级差的定向方法，包括如下步骤：使用两个或多个有指向性水听器进行布阵，采用声轴方向有一定开角的有指向性水听器来接收信号，来引入不同阵元接收信号的声级差，根据水听器的指向性图和声轴方向的开角得到声级差与目标方位对应关系图；通过信号处理模块对不同阵元接收信号进行时频变换，计算对应的时频点模的比值，并对此比值进行柱状统计来计算不同目标对应的声级差，根据此声级差及前面得到的声级差与目标方位的对应关系来计算目标的方位。

所述的开角大小根据目标扫描范围及水听器指向性图来确定，取指向性函数主瓣宽度的一半，在0～80度范围内。

基于声级差的定向算法的具体过程如下：

(1)、对两个阵元接收的信号x₁(t)，x₂(t)分别进行短时傅里叶变换得X₁(k，q)，X₂(k，q)，为短时傅里叶变换后的复数表示，其中k表示频点，q表示时间点，并求得对应时频点的声级差

(2)、对不同频点的声级差用柱状图统计，各频点柱状图中峰值的位置对应的声级差坐标，即为在频点的声源对应的声级差ILD(k，θ_j)，其中k表示频点，θ_j表示此声级差对应的方位角；

(3)、计算或测量两个水听器各频点的指向性函数图I(f_k，θ)，以dB为单位，其中f_k为频点k对应的频率

F_s表示采样频率，N表示短时傅里叶变换的数据点数，θ为方位角，将两指向性函数图相减得到角度与声级差的对应图ILD(f_k，θ)；

(4)、将对应的ILD(k，θ_j)与ILD(f_k，θ)按

式运算，得到峰值函数Peak(f_k，θ)，将各频点的Peak(f_k，θ)进行求和得到全频段的角度估计图，函数峰值对应的角度即为声源的方位角估计。

4、根据权利要求1所述的基于声级差的定向方法，其特征是：对于主动声纳，先对两阵元的信号进行拷贝相关处理

其中x(t)为接收信号，s(t)为发射信号，T为处理的信号长度，deal(t)为处理后的信号。

本发明有益的效果是：基于声级差的定向技术使用不同传感器接收信号的差别来估计目标的方位，使用不同阵元接收信号的声级差来估计目标的方位，其关键技术包括三部分，分别为：使用声轴方向有一定开角的有指向性水听器来引入不同阵元接收信号的声级差，使用动态聚类的思想来提取不同阵元接收信号的声级差，使用查询函数根据目标的方位来查询目标的方位，这三种方法相结合实现了基于声级差的定向算法，解决了高频声源定向过程中的角度模糊问题。此方案由于不涉及时延或相位信息，有效的避免了高频信号定向过程中的角度模糊问题，大大扩展了处理信号的频带范围，并具有比较高的估计精度。该技术主要适用于海底成像，水雷探测，沉船打捞，港口防御，蛙人警戒，鱼群跟踪，水声通信等使用高频信号进行探测的领域。

附图说明

图1为声级差引入的原理框图。

图2为声级差与目标方位的对应图。

图3为四元接收阵示意图；

图4为六元接收阵示意图；

图5为接收信号的波形图；

图6为接收信号频谱图；

图7为阵元测得的指向性图及得到的声级差与目标方位的对应图。

图8为阵元测得的指向性图及得到的声级差与目标方位的对应图。

图9为8元常规波束形成的估计效果图；

图10为两对阵元基于声级差定向算法的估计效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本发明所述的基于声级差的定向方法，包括两部分：声级差的引入及基于声级差的定向算法。

声级差的引入：使用两个或多个有指向性水听器(可使用现有的有指向性水听器或对无指向性水听器加设反声障板来实现)进行布阵，不同水听器的声轴有一定的开角(开角大小可根据目标扫描范围及水听器指向性图来确定，一般可取指向性函数主瓣宽度的一半，通常在0～80度范围内)，这样当声信号从某个方向入射时，不同阵元接收信号的强度就会有一定的差别。测量不同阵元的指向性，将指向性函数(分贝表示)相减即得声级差与目标方位的对应图。

基于声级差的定向算法的具体过程如下：

对两个阵元接收的信号x₁(t)，x₂(t)分别进行短时傅里叶变换(STFT，此过程的实现可以采用MatLAB工具包或网上下载其软件包实现)得X₁(k，q)，X₂(k，q)(为短时傅里叶变换后的复数表示，其中k表示频点，q表示时间点)，并求得对应时频点的声级差。

$\mathrm{ILD}(k,q)=20{\log }_{10}\left|\frac{X_1(k,q)}{X_2(k,q)}\right|$

对不同频点的声级差用柱状图统计，各频点柱状图中峰值的位置对应的声级差坐标，即为在频点的声源对应的声级差ILD(k，θ_j)(其中k表示频点，θ_j表示此声级差对应的方位角)。

计算或测量两个水听器各频点的指向性函数图I(f_k，θ)(以dB为单位，其中f_k为频点k对应的频率F_s表示采样频率，N表示短时傅里叶变换的数据点数，θ为方位角)，将两指向性函数图相减得到角度与声级差的对应图ILD(f_k，θ)。

将对应的ILD(k，θ_j)与ILD(f_s，θ)按式运

算，得到峰值函数Peak(f_k，θ)。将各频点的Peak(f_k，θ)进行求和得到全频段的角度估计图。函数峰值对应的角度即为声源的方位角估计。

另外对于主动声纳，可先对两阵元的信号进行拷贝相关处理

$\mathrm{deal}\left(t\right)={\∫}_0^{T}x\left(t\right)s\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中x(t)为接收信号，s(t)为发射信号，T为处理的信号长度，deal(t)为处理后的信号。

图3和图4为设计的四元接收阵和六元接收阵，这两个阵均是使用聚氨酯反声障板使得无指向性的水听器具有指向性，从而引入不同阵元接收信号的声级差。

图5-10为湖试效果图，湖试使用的阵型结构，为直径0.64m双层圆柱阵。图5和图6为接收信号的波形图和频谱图，图7和图8为阵元测得的指向性图及得到的声级差与目标方位的对应图。图9为8元常规波束形成的估计效果图，图10为两对阵元基于声级差定向算法的估计效果图。

从图中可以看出该方法使用两个阵元的数据就可精确的估计声源的方位，并且由于不涉及相位信息，故有效的避免的角度模糊问题。

除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于声级差的定向方法，其特征是：包括如下步骤：使用两个或多个有指向性水听器进行布阵，采用声轴方向有一定开角的有指向性水听器来接收信号，利用不同阵元接收信号存在声级差，根据水听器的指向性图和声轴方向的开角得到声级差与目标方位对应关系图；通过信号处理模块对不同阵元接收信号进行时频变换，计算对应的时频点模的比值，并对此比值进行柱状统计来计算不同目标对应的声级差，根据此声级差及前面得到的声级差与目标方位的对应关系来计算目标的方位。

2.根据权利要求1所述的基于声级差的定向方法，其特征是：开角大小根据目标扫描范围及水听器指向性图来确定，取指向性函数主瓣宽度的一半，在0～80度范围内。

3.根据权利要求1所述的基于声级差的定向方法，其特征是：

(1)、对两个阵元接收的信号x₁(t)，x₂(t)分别进行短时傅里叶变换得X₁(k，q)，X₂(k，q)，为短时傅里叶变换后的复数表示，其中k表示频点，q表示时间点，并求得对应时频点的声级差

(2)、对不同频点的声级差用柱状图统计，各频点柱状图中峰值的位置对应的声级差坐标，即为在频点的声源对应的声级差ILD(k，θ_j)，其中k表示频点，θ_j表示此声级差对应的方位角；

(3)、计算或测量两个水听器各频点的指向性函数图I(f_k，θ)，以dB为单位，其中f_k为频点k对应的频率

F_s表示采样频率，N表示短时傅里叶变换的数据点数，θ为方位角，将两指向性函数图相减得到角度与声级差的对应图ILD(f_k，θ)；

(4)、将对应的ILD(k，θ_j)与ILD(f_k，θ)按

式运算，得到峰值函数Peak(f_k，θ)，将各频点的Peak(f_k，θ)进行求和得到全频段的角度估计图，函数峰值对应的角度即为声源的方位角估计。

4.根据权利要求1所述的基于声级差的定向方法，其特征是：对于主动声纳，先对两阵元的信号进行拷贝相关处理

其中x(t)为接收信号，s(t)为发射信号，T为处理的信号长度，deal(t)为处理后的信号。

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