CN106338713B

CN106338713B - 一种基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法

Info

Publication number: CN106338713B
Application number: CN201610854372.XA
Authority: CN
Inventors: 梅继丹; 朱英慧; 孙大军; 马超; 耿高营
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2016-09-27
Filing date: 2016-09-27
Publication date: 2018-07-24
Anticipated expiration: 2036-09-27
Also published as: CN106338713A

Abstract

本发明提供的是一种基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法。对矢量阵接收的时域信号进行FFT，得到矢量阵频域信号；利用声压频域信号作频域宽带常规波束形成处理，得到声压信号的空间谱输出；提取空间谱变化趋势，对于大于趋势项的峰值进行目标方位筛选，得到空间谱输出中高于门限的目标方位角的方位值；针对高于门限的目标方位角对矢量阵频域输出信号进行矢量阵常规宽带频域波束形成，进行两次基于波束零陷权的波束形成处理，得到左右舷零陷的加权波束形成空间谱输出；进行目标的左右舷判决，并对确定为映像方位的伪峰进行伪峰抑制，得到最终的空间谱输出及时间方位历程图。本发明应用于解决矢量信号处理领域中的目标左右舷分辨问题。

Description

一种基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法

技术领域

本发明涉及的是一种目标分辨方法，具体地说是一种矢量阵左右舷分辨方法。

背景技术

在水声测向研究领域，拖曳线列阵的测向根据是不同方位的声源信号到达线列阵中各个阵元的时延差不同。组成拖曳线列阵的水听器通常是无指向性的，如图1所示，图中1表示圆锥面，2表示拖曳线列阵的水听器，在转角相同的圆锥面上入射的信号到达阵列各个阵元的响应是完全一致的，即相同圆锥面上入射的信号在各个阵元上产生的时延差是相同的，因此无法分辨来自同一圆锥面上的目标，存在目标模糊的问题。在一般的情况下远场测向时，以线列阵为对称轴，来自阵列对称轴两侧的目标在各个阵元的响应是完全相同的，因此同一信号在水平面上的两个方位处会产生两个谱峰，一个是信号的真实方位，另外一个由于声压阵的左右舷模糊性产生的方位角称之为映像方位，真实方位与映像方位关于阵列对称。分清信号究竟是来自左舷还是右舷，即通常所说的拖线阵左右舷分辨问题。

解决左右舷分辨问题常用的方法总体上来说共有两大类，一类是利用本船较大的自身机动，根据声呐的时间—方位历程图中目标方位的变化或根据复杂的跟踪运算法则，判断出目标所处的左右舷。另一类可以概括为多线阵方法，利用双线阵或三元阵在拖曳线列阵的接收端解决左右舷模糊问题。这类方法主要是改变拖曳线列阵的结构，目前采用的方法主要有三种：三元水听器组、双线阵以及矢量水听器阵。

本发明是针对矢量水听器阵这一方向提出新的解决方案。矢量水听器能够同时获取声场的声压和振速信号，拥有比传统声压水听器更为丰富的信息，单矢量水听器即可实现对目标的检测和360度无模糊测向，用于对目标的检测和方位估计。目前常用的几种单矢量水听器的方位估计方法有平均声强器法，声压、振速互谱法，互谱直方图统计法，LOFAR线谱方位估计法以及DEMON谱方位估计法等。尽管单矢量水听器即可实现对目标的检测和方位估计，但是随着人们对矢量水听器研究的深入与应用的广泛，也发现了矢量水听器的一些不足与缺点，比如单只系统的可靠性较差，测量精度低。因此，如何利用矢量阵列实现对目标的实时检测跟踪分辨目标的方位是目前矢量信号处理的一个研究方向。

矢量阵测向方法中，直接矢量波束形成具有稳定性好的优点，是最常用的波束形成方法，其缺点是其左右舷分辨能力在各个角度不均匀，目标位于阵的法线方向时分辨效果好，远离阵法线的角度分辨效果则逐渐变差，不利于观察，目标接近阵列的端向时分辨能力最差，对于目标伪峰的抑制能力也是如此，所以会在目标关于阵列的映射方向仍然存在伪峰，不利于观察和对目标个数的判决。另一个主要缺点是无法区分两个关于阵列对称的两目标，会造成目标个数混淆。

经过文献检索发现，有下列文献分别对矢量阵的左右舷分辨问题、Bartlett零陷波束形成(BNF,Bartlett Null-forming)以及结合矢量阵列的方位估计进行了研究。

[1]惠俊英，惠娟著.矢量声信号处理基础.国防工业出版社.2009.4.(以下简称文献1)；

[2]江磊.小尺度阵信号处理技术研究.哈尔滨工程大学博士学位论文.2007.12.(以下简称文献2)；

[3]梅继丹.Bartlett波束形成的波束零陷权设计.哈尔滨工程大学学报.2008，29(12):1315-1318页.(以下简称文献3)。

文献1给出了声压阵及矢量阵常规波束形成方法。首先声压阵常规波束形成是将各阵元接收到的声压信号作为输入，通过计算其协方差矩阵得到各个方位的能量输出，由输出能量大小确定目标的方位。矢量阵的常规波束形成即在声压阵常规波束形成的基础上将振速通道的信号也作为输入信息计算声压、振速协方差矩阵，其余步骤与声压波束形成相同。文献1提供的既是基于矢量常规波束形成的目标左右舷方法。其缺点如前面所述，分辨效果较差，对于关于阵对称的目标无法区分。一种基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法提供了一种较直接利用常规矢量阵波束形成效果更好的目标左右舷分辨方法。

文献2给出了一种矢量阵逆波束形成方法，该方法首先将声压、振速的时域信号进行波束旋转，对干扰方向形成一组波束输出，在对其进行逆波束形成得到相应的阵元数据，再用阵元接收的原始数据减去得到相对无干扰的新的时域信号。用新的时域信号做矢量波束形成，从而达到干扰抵消与左右舷分辨的目的。根据文献2提供的方法也可以用于进行目标的左右舷分辨，但该方法仅适用于时域信号处理，计算量巨大，每次只能分辨一个目标的左右舷，存在多个目标时需要进行多次逆波束形成，逐一判决。只适用于阵元数较少的矢量阵模式。基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法利用零陷波束形成的方法同事对多个目标方位形成零陷，且采用频域处理的方式对目标进行左右判决，与之相比过程更简单，计算量更小，更实用。

文献3中介绍了一种适用于声压阵的Bartlett波束形成的波束零陷权矢量设计方法，可以形成单个或多个波束指向性零点。经过理论推导给出了权的解析形式，其形式只与干扰源方位有关。该Bartlett波束零陷权可以有效地对单个或多个干扰方向形成波束零陷，且对旁瓣有一定降低作用，可用于抗相干噪声源干扰。这里所采用的零陷波束形成方法在声压阵Bartlett波束零陷权的基础上，发展了矢量波束零陷权，对目标可能出现的方位分别进行多零陷抑制，根据目标所在方位的波束输出的强度判断目标位于左舷还是右舷，与文献中所述方法在技术手段以及针对要解决的问题上有本质区别。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以有效地对同频或非同频多目标进行分辨，具有更好的左右舷分辨能力的基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一、对矢量阵接收的声压p(t)＝[p₁(t),p₂(t),...p_M(t)]^T、x轴振速Vx(t)＝[Vx₁(t),Vx₂(t),...Vx_M(t)]^T及y轴振速时域信号Vy(t)＝[Vy₁(t),Vy₂(t),...Vy_M(t)]^T进行快速傅里叶变换简称FFT，得到矢量阵声压p(f)＝[p₁(f),p₂(f),...p_M(f)]^T、x轴振速Vx(f)＝[Vx₁(f),Vx₂(f),...Vx_M(f)]^T及y轴振速频域信号Vy(f)＝[Vy₁(f),Vy₂(f),...Vy_M(f)]^T，其中，M为阵元个数、f为频率、T表示转置；

步骤二、利用声压频域信号P(f)在0°～180°范围内作频域宽带常规波束形成处理，得到声压信号的空间谱输出P_out(θ)；

步骤三、利于双向一阶递归滤波器提取空间谱变化趋势曲线P_α(θ)，对于大于P_α(θ)加上门限DT得到的门限曲线的峰值进行目标角度筛选，得到空间谱输出中高于门限的目标角度在0°～180°角度范围内的方位值θ₁,θ₂,…θ_k，简称过门限目标角度，k表示过门限目标角度的个数；

步骤四、根据步骤三得到的目标角度在0°～180°角度范围内的方位值θ₁,θ₂,…θ_k，逐一对第j个目标角度θ_j进行矢量阵常规宽带频域波束形成处理，得到θ₁,θ₂,…θ_k共计k个角度的矢量空间谱输出P_vcbf(θ),θ＝[θ₁,θ₂,…θ_k]；

步骤五、根据步骤三得到的目标角度在0°～180°角度范围内的方位值θ₁,θ₂,…θ_k，对这k个角度进行基于Bartlett零陷权的波束形成处理，得到左舷零陷后的加权波束形成空间谱输出P_bnfl(θ),θ＝[θ₁,θ₂,…θ_k]，再对180°～360°角度范围内的对应的映射角度360-θ_j进行基于Bartlett零陷权的波束形成处理，得到右舷零陷后的加权波束形成空间谱输出P_bnfr(θ),θ＝[θ₁,θ₂,…θ_k]；

步骤六、通过对比θ₁,θ₂,…θ_k这k个角度对应的P_vcbf(θ)、P_bnfl(θ)、P_bnfr(θ)三条空间谱输出的数值，对k个角度目标左右舷进行逐一判别，判断k目标的真实的目标角度θ_T1,θ_T2,…,θ_Tk和伪峰对应的角度θ_e1,θ_e2,…,θ_ek；

步骤七、利用步骤六得到的伪峰角度θ_e1,θ_e2,…,θ_ek，将对应的声压信号的空间谱输出P_out(θ)中伪峰角度θ_e处对应的目标伪峰进行消减抑制，由此得到无模糊的空间谱输出P_out(θ)'。

本发明还可以包括：

1、步骤二具体包括：

步骤二一、对声压频域信号P(f)在工作频段带宽B范围内各个频点信号分别进行常规波束形成，得到各频率点的空间谱输出P(f_i,θ)：

P(f_i,θ)＝a(f_i,θ)^HR(f_i)a(f_i,θ)

B为信号带宽，B＝f_h-f_l，f_l为工作频段下限频率，f_h为工作频段上限频率，f_i为FFT对于信号频带B内的第i个点的频率值，i＝1,2…L，L为信号带宽B内FFT对应的子带个数，L＝B/Δf，Δf为FFT计算时的频率分辨率，f_l≤f_i≤f_h，为频率值f_i对应的导向矢量，H表示求共轭转置，θ为角度，声压阵波束形成的角度计算范围取0°～180°；

R(f_i)表示频率f_i的互谱密度矩阵，且R(f_i)＝E(P(f_i)P(f_i)^H)，E[·]表示求数学平均，P(f_i)为声压频域信号P(f)当频率f等于f_i时对应的值；

步骤二二、把各频点的空间谱P(f_i,θ)累加，得到常规宽带波束输出空间谱，即原始空间谱输出P_out(θ)，其中，

2、步骤三具体包括：

步骤三一、采用双向一阶递归滤波器对原始空间谱矩阵P_out(θ)进行平滑滤波处理，得到空间谱变化趋势曲线P_α(θ)；

步骤三二、将原始空间谱P_out(θ)与P_α(θ)加上门限值DT后的门限曲线P_DT(θ)＝P_α(θ)+D_T的结果进行比较，对高于门限曲线的峰值进行目标角度筛选，得到0°～180°角度范围内过门限的目标角度θ₁,θ₂,…θ_k。

3、所述的常规矢量波束形成空间谱P_vcbf(θ)、及矢量Bartlett零陷波束形成空间谱P_bnf(θ)的具体求解方法为：

P_vcbf(f_i,θ)、P_bnf(f_i,θ)分别为频率f_i对应的常规矢量空间谱、左舷及右舷零陷加权波束形成空间谱；

P_vcbf(f_i,θ)＝W_vcbf(f_i,θ)^HR_V(f_i)W_vcbf(f_i,θ)

P_bnf(f_i,θ)＝W_bnf(f_i,θ)^HR_V(f_i)W_bnf(f_i,θ)

其中：

R_V(f_i)＝E(X_v(f_i)X_v(f_i)^H)为矢量阵接收信号频率f_i对应的互谱密度矩阵，

为矢量常规波束形成权向量。u＝[1,cosθ,sinθ]^T，

为矢量Bartlett波束零陷权向量，

其中，B(f_i)＝I-H(f_i)(H^H(f_i)H(f_i))^-1H^H(f_i)，

B(f_i)中，H(f_i)＝[a_v(f_i,θ_z1),a_v(f_i,θ_z2),…a_v(f_i,θ_zk)]，θ_z1,θ_z2,…,θ_zk表示k个零陷角度值，a_v(f_i,θ_zk)表示θ＝θ_zk时a_v(f_i,θ)对应的值，I为M×3元单位阵，M为阵元个数，

P_bnfl(θ)进行计算时数值等于P_bnf(θ)对应的k个零陷角度值θ_z1,θ_z2,…,θ_zk取0°～180°角度范围内的方位值θ₁,θ₂,…θ_k，

P_bnfr(θ)进行计算时数值等于P_bnf(θ)对应的k个零陷角度值θ_z1,θ_z2,…,θ_zk取180°～360°角度范围内的映射值[360-θ₁ 360-θ₂ … 360-θ_k]，

X_v(f_i)为矢量阵接收信号X_v(t)快速傅里叶变换(FFT)得到的频域信号X_v(f)第i个频率的值，即当频率f等于f_i时对应的值，X_v(t)＝[x₁(t),x₂(t),…,x_M(t)]^T，第i个基元接收到的矢量信号为x_i(t)＝[p_i(t),Vx_i(t),Vy_i(t)]^T，分别由声压p_i(t)、x轴振速Vx_i(t)、y轴振速信号Vy_i(t)构成。

4、步骤六的具体求解过程为：

第j个过门限目标角度θ_j的左右舷判决步骤为：判断矢量波束输出功率与以θ_j为零限的Bartlett零限波束输出功率的绝对差值|P_vcbf(θ_j)-P_bnfl(θ_j)|是否大于矢量波束输出功率与以360-θ_j为零限的Bartlett零限波束输出功率的绝对差值|P_vcbf(θ_j)-P_bnfr(θ_j)|，若是，则判定为左舷目标，保留该目标信号角度θ_Tj＝θ_j，认为θ_ej＝360-θ_j为伪峰；否则，判定为右舷目标，目标信号角度为θ_Tj＝360-θ_j，认为θ_ej＝θ_j为伪峰，将其剔除，j代表目标序号，因为共有k个目标，因此要逐一判决，共判决k次，j＝1,2,…k。

5、步骤七中的伪峰剔除具体求解过程为：

步骤七一、伪峰角度θ_e1,θ_e2,…,θ_ek对应的谱峰宽度通过以下计算过程确定，对于第j个目标伪峰角度θ_ej在频率f_i对应的声压常规波束形成空间谱P_out(f_i,θ)谱峰宽度在伪峰角度θ_ej附近左右各一定范围内设置权值衰减；伪峰宽度权值衰减范围为[θ_ejfiL,θ_ejfiH]；

式中，λ_i＝C/f_i，为频率f_i对应的波长；

步骤七二、对第j个目标频率f_i对应的伪峰θ_ej的波束主瓣宽度范围内的空间谱值Po_ut(f_i,θ)在角度范围内的值进行消减抑制，具体的伪峰抑制方法为根据伪峰波束范围以外的空间谱值对伪峰范围内的空间谱值进行三次样条插值，得到插值结果用插值得到的新数据代替原空间谱数据，得到频率f_i抑制后的空间谱输出数据P_out(f_i,θ)'，即：

P_out(f_i,θ)'＝P_vcbf(f_i,θ),θ＝其它

将各频率抑制后的空间谱输出数据相加得到抑制后的宽带空间谱输出数据之后令P_out(θ)＝P_out(θ)'。

因为一共有k个过门限目标角度，每个目标的角度都进行伪峰抑制，因此上述伪峰抑制过程要执行k次。

本发明是为了解决矢量阵对目标进行检测跟踪过程中左右舷分辨的问题。针对矢量阵在非法线方向常规波束形成的左右舷分辨能力弱以及检测跟踪实时性差的问题给出了一种基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法。与已有的矢量左右舷分辨方法相比，该方法对目标的映像谱峰具有更好的抑制效果，且可以克服传统方法无法判别两个关于阵列对称目标的缺陷。

本发明针对矢量阵常规波束形成在非法线方向左右舷分辨能力弱，伪峰抑制效果差的问题，提供了一种既适用于多目标检测又适用于实时检测跟踪应用环境的基于波束零陷权的矢量左右舷分辨方法。

本发明的有益效果为：

本发明是在矢量阵信号处理中，利用常规波束形成预判目标个数，利用矢量波束形成与矢量零陷波束形成对空间内的目标进行扫描和左右舷判决。在矢量波束形成空间谱中对伪峰抑制，得到无模糊的空间谱输出矩阵。传统的矢量左右舷分辨方法通常是在全空间内进行矢量波束形成扫描，缺点是其左右舷分辨能力在各个角度不均匀，目标位于阵的法线方向时分辨效果好，远离阵法线的角度分辨效果则逐渐变差，不利于观察，目标接近阵列的端向时分辨能力最差，对于目标伪峰的抑制能力也是如此，所以会在目标关于阵列的映射方向仍然存在伪峰，不利于观察和对目标个数的判决。另一个主要缺点是无法区分两个关于阵列对称的两目标，会造成目标个数混淆。本发明给出了一种基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法，并将其应用于左右舷分辨中。该方法可以对空间谱进行峰选，对谱峰范围内的信号进行左右舷判决，通过判决结果对伪峰进行消减抑制，进而克服矢量常规波束形成左右舷分辨能力不均匀的问题，改善左右舷分辨效果。

(1)文献1给出的矢量阵常规波束形成方法直接应用于目标定位和追踪。当对全空间进行矢量波束扫描时，与本发明相比，矢量常规方法在非阵列法线方向其左右分辨能力及伪峰抑制能力较差，不利于观察。

(2)当矢量阵的两侧出现多个目标时，尤其是当存在两个目标角度关于阵列对称的情况时，由于矢量阵常规波束形成对两个对称谱峰无法进行有效分辨，因此可能会出现目标漏报。与矢量阵常规波束形成方法相比，新方法对阵列两侧出现两个目标的情况具有一定的检测和左右分辨能力。

(3)与单矢量左右舷分辨方法相比，本发明方法具有更大的物理孔径，因此具有更好的测量物理分辨率和测量精度。

附图说明

图1为本发明背景技术涉及的线列阵远场测向左右舷模糊示意图；

图2为本发明中阵列信号处理几何模型图；

图3为本发明实施方式一到七的整体实现流程框图；

图4为本发明具体实施方式一中声压常规波束形成(CBF)流程图；

图5为本发明具体实施方式一中双向一阶递归滤波器(α滤波器)流程图；

图6是声压常规波束形成(CBF)空间谱P_out(θ)矩阵；

图7为左舷双目标情况下的矢量常规波束形成(VCBF)空间谱；

图8为对左舷进行零陷得到的Bartlett零陷波束形成的输出空间谱P_bnfl(θ_j)；

图9为对右舷进行零陷得到的Bartlett零陷波束形成的输出空间谱P_bnfr(θ_j)；

图10为左舷双目标情况下左右舷判决过程说明图；

图11为左舷双目标情况下经过处理输出的无模糊空间谱矩阵P_out(θ)'；

图12为两个目标处于对称方位时左右舷判决过程说明图；

图13为左右舷各一个目标情况下经过处理输出的无模糊空间谱矩阵P_out(θ)'。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步描述。

具体实施方式一：

本实施方式的一种基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法，结合图2和图3所示，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、对矢量阵接收的声压p(t)＝[p₁(t),p₂(t),...p_M(t)]^T、x轴振速Vx(t)＝[Vx₁(t),Vx₂(t),...Vx_M(t)]^T及y轴振速时域信号Vy(t)＝[Vy₁(t),Vy₂(t),...Vy_M(t)]^T进行快速傅里叶变换(FFT)，得到矢量阵声压p(f)＝[p₁(f),p₂(f),...p_M(f)]^T、x轴振速Vx(f)＝[Vx₁(f),Vx₂(f),...Vx_M(f)]^T及y轴振速频域信号Vy(f)＝[Vy₁(f),Vy₂(f),...Vy_M(f)]^T，其中，M为阵元个数，f为频率，T表示转置；

步骤三、利于双向一阶递归滤波器(α滤波器)提取空间谱变化趋势曲线P_α(θ)，对于大于P_α(θ)加上门限DT得到的门限曲线的峰值进行目标角度筛选，得到空间谱输出中高于门限的目标角度在0°～180°角度范围内的方位值θ₁,θ₂,…θ_k，简称过门限目标角度，k表示过门限目标角度的个数；

步骤四、根据步骤三得到的目标角度在0°～180°角度范围内的方位值θ₁,θ₂,…θ_k，逐一对第j个目标角度θ_j进行矢量阵常规宽带频域波束形成处理，得到θ₁,θ₂,…θ_k共计k个角度的矢量空间谱输出P_vcbf(θ),θ＝[θ₁,θ₂,…θ_k]。

步骤五、根据步骤三得到的目标角度在0°～180°角度范围内的方位值θ₁,θ₂,…θ_k，对这k个角度进行基于Bartlett零陷权的波束形成处理，得到左舷零陷后的加权波束形成空间谱输出P_bnfl(θ),θ＝[θ₁,θ₂,…θ_k]，再对180°～360°角度范围内的对应的映射角度360-θ_j进行基于Bartlett零陷权的波束形成处理，得到右舷零陷后的加权波束形成空间谱输出P_bnfr(θ),θ＝[θ₁,θ₂,…θ_k]。

步骤六、通过对比θ₁,θ₂,…θ_k这k个角度对应的P_vcbf(θ)、P_bnfl(θ)、P_bnfr(θ)三条空间谱输出的数值，对k个角度目标左右舷进行逐一判别。判断k目标的真实的目标角度θ_T1,θ_T2,…,θ_Tk和伪峰对应的角度θ_e1,θ_e2,…,θ_ek；

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法，步骤二所述对多元阵列接收到的声压信号作频域宽带常规波束形成(CBF)处理，得到原始空间谱矩阵P_out(θ)的过程为，

P(f_i,θ)＝a(f_i,θ)^HR(f_i)a(f_i,θ)

B为信号带宽，B＝f_h-f_l，f_l为工作频段下限频率，f_h为工作频段上限频率，f_i为快速傅里叶变换(简称为FFT)对于信号频带B内的第i个点的频率值，i＝1,2…L，L为信号带宽B内快速傅里叶变换(简称为FFT)对应的子带个数，L＝B/Δf，Δf为FFT计算时的频率分辨率，f_l≤f_i≤f_h，为频率值f_i对应的导向矢量。H表示求共轭转置，θ为角度，声压阵波束形成的角度计算范围取0°～180°；

具体实施方式三：

与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的一种基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法，步骤三所述对步骤二得到的原始空间谱矩阵P_out(θ)进行双向一阶递归滤波(α滤波器)处理，得到平滑后的空间谱P_α(θ)的过程为，

步骤三一、采用双向一阶递归滤波器(α滤波器)对原始空间谱矩阵P_out(θ)进行平滑滤波处理，得到空间谱变化趋势曲线P_α(θ)；

步骤三二、将原始空间谱P_out(θ)与P_α(θ)加上门限值DT后的门限曲线P_DT(θ)＝P_α(θ)+D_T的结果进行比较，对高于门限曲线的峰值进行目标角度筛选，得到0°～180°角度范围内过门限的目标角度θ₁,θ₂,…θ_k，k表示过门限目标角度的个数。

具体实施方式四：

与具体实施方式三不同的是，本实施方式的基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法，步骤四、五所述的常规矢量波束形成空间谱P_vcbf(θ)及矢量Bartlett波束零陷空间谱P_bnf(θ)具体求解方法为，

P_vcbf(f_i,θ)、P_bnf(f_i,θ)分别为频率f_i对应的常规矢量空间谱、左舷及右舷零陷加权波束形成空间谱。

P_vcbf(f_i,θ)＝W_vcbf(f_i,θ)^HR_V(f_i)W_vcbf(f_i,θ)

P_bnf(f_i,θ)＝W_bnf(f_i,θ)^HR_V(f_i)W_bnf(f_i,θ)

其中：

R_V(f_i)＝E(X_v(f_i)X_v(f_i)^H)为矢量阵接收信号频率f_i对应的互谱密度矩阵。

为矢量常规波束形成权向量。u＝[1,cosθ,sinθ]^T。

为矢量Bartlett波束零陷权向量。

其中，B(f_i)＝I-H(f_i)(H^H(f_i)H(f_i))^-1H^H(f_i)，

B(f_i)中，H(f_i)＝[a_v(f_i,θ_z1),a_v(f_i,θ_z2),…a_v(f_i,θ_zk)]，θ_z1,θ_z2,…,θ_zk表示k个零陷角度值，a_v(f_i,θ_zk)表示θ＝θ_zk时a_v(f_i,θ)对应的值，I为M×3元单位阵，M为阵元个数。

P_bnfl(θ)进行计算时数值等于P_bnf(θ)对应的k个零陷角度值θ_z1,θ_z2,…,θ_zk取0°～180°角度范围内的方位值θ₁,θ₂,…θ_k。

P_bnfr(θ)进行计算时数值等于P_bnf(θ)对应的k个零陷角度值θ_z1,θ_z2,…,θ_zk取180°～360°角度范围内的映射值[360-θ₁ 360-θ₂…360-θ_k]。

X_v(f_i)为矢量阵接收信号X_v(t)快速傅里叶变换(FFT)得到的频域信号X_v(f)第i个频率的值，即当频率f等于f_i时对应的值。X_v(t)＝[x₁(t),x₂(t),…,x_M(t)]^T，第i个基元接收到的矢量信号为x_i(t)＝[p_i(t),Vx_i(t),Vy_i(t)]^T，分别由声压p_i(t)、x轴振速Vx_i(t)、y轴振速信号Vy_i(t)构成。

具体实施方式五：

与具体实施方式四不同的是，本实施方式的基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法，步骤六所述利用步骤五得到的波束输出结果，具体的步骤六的左右舷判决过程为，

第j个过门限目标角度θ_j(j＝1,2,…k)的左右舷判决步骤为：判断矢量波束输出功率与以θ_j为零陷的Bartlett零陷波束输出功率的绝对差值|P_vcbf(θ_j)-P_bnfl(θ_j)|是否大于矢量波束输出功率与以360-θ_j为零陷的Bartlett零陷波束输出功率的绝对差值|P_vcbf(θ_j)-P_bnfr(θ_j)|，若是，则判定为左舷目标，保留该目标信号角度θ_Tj＝θ_j，认为θ_ej＝360-θ_j为伪峰；否则，判定为右舷目标，目标信号角度为θ_Tj＝360-θ_j，认为θ_ej＝θ_j为伪峰，将其剔除，j代表目标序号，因为共有k个目标，因此要逐一判决，共判决k次。

具体实施方式六：

与具体实施方式五不同的是，本实施方式的基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法，步骤七所述利用步骤六保留的目标信号方位的结果，对于确定为映像方位的伪峰θ_e，将其对应的声压波束输出P_out(θ_e)进行消减抑制的过程为：

步骤七一、步骤六中确定的伪峰角度θ_e1,θ_e2,…,θ_ek对应的谱峰宽度通过以下计算过程确定，对于第j个目标伪峰角度θ_ej在频率f_i对应的声压常规波束形成空间谱P_out(f_i,θ)谱峰宽度在伪峰角度θ_ej附近左右各一定范围内设置权值衰减；伪峰宽度权值衰减范围为

式中，λ_i＝C/f_i，为频率f_i对应的波长；

步骤七二、对第j个目标频率f_i对应的伪峰θ_ej的波束主瓣宽度范围内的空间谱值P_out(f_i,θ)在角度范围内的值进行消减抑制。具体的伪峰抑制方法为根据伪峰波束范围以外的空间谱值对伪峰范围内的空间谱值进行三次样条插值得到插值结果用插值得到的新数据代替原空间谱数据，得到频率f_i抑制后的空间谱输出数据P_out(f_i,θ)'，即：

P_out(f_i,θ)'＝P_vcbf(f_i,θ),θ＝其它

实施例1：

建立数学模型，将一个2维M元矢量阵列在t时刻的输出表示为如下形式：

X_v(t)＝[x_v1(t),x_v2(t),…,x_vM(t)]^T

＝A_v(Θ)S(t)+N_v(t)

S(t)＝[s₁(t),s₂(t),…,s_k(t)]^T：源信号矢量；k：测量空间内的目标个数；

N_v(t)＝[n_p1(t),n_vx1(t),n_vy1(t)…,n_pM(t),n_vxM(t),n_vyM(t)]^T：矢量阵列接收到的噪声矢量；

声矢量阵的信号方向矩阵；

矢量波束形成导向矢量；

声压波束形成导向矢量；

β_k＝2πdcosθ_k/λ；

u_k＝[1,cosθ_k,sinθ_k ^T]；

符号克罗内克积。

当测量空间内的目标个数为1，即k＝1时，阵列输出简化为：

X_v(t)＝[x_v1(t),x_v2(t),…,x_vM(t)]^T＝a_v(θ_s)s(t)+N_v(t)。

一般阵元域加权波束输出可以表示为：

y_v(t)＝W_v ^HX_v(t)

式中，W_v ^H(θ)＝[ω_v1(θ),ω_v2(θ),…,ω_vM(θ)]^T为矢量常规波束形成权矢量，ω_vm(θ)为第m号阵元的矢量加权系数。θ是波束的指向角，权向量的模表示对阵元各个通道输出信号的幅度加权，相角表示对输出信号的相位延迟。此时矢量波束形成输出的平均功率或称空间谱可表示为：

P_vcbf(θ)＝E[|y_v(t)|²]＝W_v ^HE(X_v(t)X_v ^H(t))W_v＝W_v ^HR_vW_v

式中，R_v＝E(X_v(t)X_v(t)^H)是矢量信号的协方差矩阵，E[·]表示求数学平均，对于窄带矢量常规波束形成的权向量和方位谱公式如下：

W_v(θ)＝a_v(θ)

P_v(θ)＝a_v(θ)^HR_va_v(θ)

宽带波束形成需将信号分为若干窄带信号进行子带处理，可通过FFT实现。假设FFT分解中分解为L个子带，第i个子带的矢量常规波束形成权矢量可表示为：

W_v(f_i,θ)＝a_v(f_i,θ)

第i个子带的波束输出的能量：

P_v(f_i,θ)＝a_v(f_i,θ)^HR_v(f_i)a_v(f_i,θ)

式中，R_v(f_i)＝E(X_v(f_i)X_v(f_i)^H)，为频率f_i的互谱密度矩阵，E[·]为求N次数学平均，N为观测时间内的独立快拍数，平均相当于是一个时间上的积分，可以提高互谱密度矩阵R_v的估计精度和稳定度。X(f_i)＝[X₁(f_i),X₂(f_i)…X_M(f_i)]^T，为各阵元接收信号在频率f_i处的频谱值。把每个子带的能量累加就得到了矢量宽带波束输出：

本发明给出的一种基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法通过矢量信号在谱峰方位θ_j及其映像360-θ_j方位处进行矢量常规波束形成和Bartlett零陷波束形成分别得到矢量空间谱P_vcbf(θ_j)、P_bnfl(θ_j)和P_bnfr(θ_j)。利用矢量常规波束形成以及Bartlett零陷波束形成的空间谱输出在各个扫描点处进行左右舷判决，对于判定为伪峰的映像方位θ_e，在原始空间谱P_out(θ)上对映像方位进行伪峰抑制得到左右舷无模糊的空间谱P_out(θ)'。

实施例2：

所述步骤2采用双向一阶递归滤波器(α滤波器)提取出有效的谱峰。具体实施方式是：

如图5所示，根据声压阵空间谱计算结果采用双向滤波器的双向α滤波计算公式：Y(k)＝Y(k-1)+α[X(k)-X(k-1)]提取声压阵空间谱趋势，其中，X(k)表示滤波器的输入序列，Y(k)表示双向滤波器的输出序列，k代表序列中的当前点，k-1代表当前点k的上一点。

将P_out(θ)进行双向α滤波得到P_α(θ)，滤波系数可调，滤波系数越小则滤波效果越明显，得到的P_α(θ)也越平坦。D_T为谱峰筛选的门限，在P_α(θ)的基础上提高D_T分贝得到谱峰筛选的门限P_DT(θ)：

P_DT(θ)＝P_α(θ)+D_T

扫描所有角度θ＝[0°，1°，2°，…，180°]角，将所有高于门限P_DT(θ)的方位筛选出来。

其它步骤及参数与实施例1相同。

仿真实验1：

图6至图13是双目标情况下声压信号常规宽带波束形成和本发明提出方法的性能比较。仿真条件：20元阵，设阵元间距为0.75m(1kHz半波间距)，工作频带为700～1300Hz，FFT频率分辨率为1Hz，积分时间1s，目标方位从40°至140°，信噪比均为10dB，观察时间长度为32s。以声压常规波束形成(CBF)和矢量常规波束形成(VCBF)为基础对比分析本发明左右舷分辨方法的处理效果。

图6为声压常规波束形成(CBF)空间谱P_out(θ)矩阵，图7为矢量常规波束形成(VCBF)空间谱。从图6、图7中可以看出：声压常规波束形成不具备左右舷分辨的能力，矢量常规波束形成(VCBF)虽然具有一定的左右舷分辨能力，但伪峰抑制能力的角度分布不均匀，即在舷侧法线附近左右舷抑制能力较好而端射附近角度伪峰抑制能力较差。

为了更好地说明本发明实施方式一中步骤五、步骤六关于左右舷判决的过程，仿真实验中给出了图8至图10等中间过程的空间谱结果。图8表示的是对左舷谱峰方位进行零陷处理得到的零陷波束形成的扫描空间谱，由于真实信号存在于左舷，因此映像方位的谱峰也随之消失。图9表示的是对右舷谱峰方位进行零陷处理得到的零陷波束形成的扫描空间谱，由于是对伪峰所在方位进行零陷抑制，因此对左舷的真实信号谱峰没有影响。图10为左舷双目标情况下的目标判决过程，图中曲线分别为左舷双零陷抑制、右舷双零陷抑制后的零陷波束形成及矢量常规波束形成的空间谱输出曲线。左舷零陷抑制后的零陷波束输出曲线除零陷处较低外，基本稳定在背景噪声附近。右舷零陷抑制后的零陷波束输出曲线除零陷处较低外，信号谱峰依然存在且与VCBF的谱峰重合，说明对映像即伪峰方位进行零陷抑制处理对真实信号的谱峰几乎不产生影响。

图11为左舷双目标情况下经过处理输出的无模糊空间谱矩阵P_out(θ)'。对比分析图7、图11可知：与矢量常规波束形成方法相比，本发明的左右舷分辨算法拥有更优的目标左右舷分辨能力。

仿真实验2：

本发明对左右对称的多个目标具有明确的分辨能力，针对这一特点进行了实验仿真验证。实验条件为阵列左右舷两侧分别存在一个目标，在运动过程中某一时刻两个目标的方位恰好处于左右舷完全对称的状态，其他阵列、环境参数与仿真实验1条件相同。以下是基于此实验条件下仿真结果。

关于图6～图11的情况为两目标位于同一舷的情况。假设其它条件相同，而方位不变目标位于阵的另一舷，左右舷各一个目标情况的声压常规波束形成(CBF)空间谱历程图与图6相同。图12表示两个目标处于对称方位时进行左右舷判决的过程，图中曲线分别为左舷零陷抑制、右舷零陷抑制后的零陷波束形成及矢量常规波束形成的空间谱输出曲线。在左舷或右舷一侧进行零陷抑制后并不影响另一侧目标的空间谱输出，因而判断出存在两个目标而不是同一个目标的映像谱峰。图13为左右舷各一个目标情况下处理后得到的无模糊空间谱矩阵，图13中映像方位的波束输出明显被抑制。对比分析图6、图13可知：本发明的左右舷分辨算法不仅可以有效地分辨出真实信号的方位与映像方位，还可以有效地判断对称目标的个数，并且通过伪峰抑制得到较为直观的无模糊空间谱输出。

本发明给出的一种基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法在推导与验证过程中对于波束零陷权的选择采用的是Bartlett零陷权波束形成，也可以利用其他波束零陷技术替换Bartlett零陷权波束形成技术。本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法，其特征是包括如下步骤：

步骤三、利用双向一阶递归滤波器提取空间谱变化趋势曲线P_α(θ)，对于大于P_α(θ)加上门限DT得到的门限曲线的峰值进行目标角度筛选，得到空间谱输出中高于门限的目标角度在0°～180°角度范围内的方位值θ₁,θ₂,…θ_k，简称过门限目标角度，k表示过门限目标角度的个数；

2.根据权利要求1所述的基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法，其特征是步骤二具体包括：

P(f_i,θ)＝a(f_i,θ)^HR(f_i)a(f_i,θ)

3.根据权利要求1所述的基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法，其特征是步骤三具体包括：

4.根据权利要求1所述的基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法，其特征是所述的常规矢量波束形成空间谱P_vcbf(θ)、及矢量Bartlett零陷波束形成空间谱P_bnf(θ)的具体求解方法为：

P_vcbf(f_i,θ)＝W_vcbf(f_i,θ)^HR_V(f_i)W_vcbf(f_i,θ)

P_bnf(f_i,θ)＝W_bnf(f_i,θ)^HR_V(f_i)W_bnf(f_i,θ)

其中：

为矢量常规波束形成权向量，u＝[1,cosθ,sinθ]^T，

为矢量Bartlett波束零陷权向量，

其中，B(f_i)＝I-H(f_i)(H^H(f_i)H(f_i))^-1H^H(f_i)，

B(f_i)中，H(f_i)＝[a_v(f_i,θ_z1),a_v(f_i,θ_z2),…a_v(f_i,θ_zk)]，θ_z1,θ_z2,…,θ_zk表示k个零陷角度值，

a_v(f_i,θ_zk)表示θ＝θ_zk时a_v(f_i,θ)对应的值，

为频率值f_i对应的导向矢量，I为M×3元单位阵，M为阵元个数，

5.根据权利要求1所述的基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法，其特征是步骤六的具体求解过程为：

6.根据权利要求1所述的基于波束零陷权的矢量阵目标左右舷分辨方法，其特征是步骤七中的伪峰剔除具体求解过程为：

步骤七一、伪峰角度θ_e1,θ_e2,…,θ_ek对应的谱峰宽度通过以下计算过程确定，对于第j个目标伪峰角度θ_ej在频率f_i对应的声压常规波束形成空间谱P_out(f_i,θ)谱峰宽度在伪峰角度θ_ej附近左右各一定范围内设置权值衰减；伪峰宽度权值衰减范围为

式中，λ_i＝C/f_i，为频率f_i对应的波长；

步骤七二、对第j个目标频率f_i对应的伪峰θ_ej的波束主瓣宽度范围内的空间谱值Po_ut(f_i,θ)在角度范围内的值进行消减抑制，具体的伪峰抑制方法为根据伪峰波束范围以外的空间谱值对伪峰范围内的空间谱值进行三次样条插值，得到插值结果P_in(f_i,θ),用插值得到的新数据代替原空间谱数据，得到频率f_i抑制后的空间谱输出数据P_out(f_i,θ)'，即：

P_out(f_i,θ)'＝P_vcbf(f_i,θ),θ＝其它

将各频率抑制后的空间谱输出数据相加得到抑制后的宽带空间谱输出数据之后令P_out(θ)＝P_out(θ)'；