CN107861114A - 一种基于水声阵列空域反转的噪声抑制方法 - Google Patents

一种基于水声阵列空域反转的噪声抑制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107861114A
CN107861114A CN201711085125.9A CN201711085125A CN107861114A CN 107861114 A CN107861114 A CN 107861114A CN 201711085125 A CN201711085125 A CN 201711085125A CN 107861114 A CN107861114 A CN 107861114A
Authority
CN
China
Prior art keywords
array
noise
convolution
signal
reversion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201711085125.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107861114B (zh
Inventor
赵安邦
马林
惠娟
葛春莎
毕雪洁
曾财高
李贺
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Engineering University
Original Assignee
Harbin Engineering University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Engineering University filed Critical Harbin Engineering University
Priority to CN201711085125.9A priority Critical patent/CN107861114B/zh
Publication of CN107861114A publication Critical patent/CN107861114A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107861114B publication Critical patent/CN107861114B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/52003—Techniques for enhancing spatial resolution of targets
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/537—Counter-measures or counter-counter-measures, e.g. jamming, anti-jamming

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明提供的是一种基于水声阵列空域反转的噪声抑制方法。首先，对N元水声阵列探测系统输出的信号进行时域数字滤波。然后，对时域快拍进行空域反转并卷积。空间反转卷积虚拟扩展了阵列孔径，得到了(2N‑1)元的阵列。接下来，对空间反转卷积后的阵列进行灵敏度均衡，均衡后的虚拟(2N‑1)元阵列的波束响应与实际的(2N‑1)元阵列一致。N元阵列的噪声主要集中在空间谱矩阵的对角线上，经过空域反转并卷积后得到的(2N‑1)元虚拟阵列数据，噪声集中在空间谱矩阵的中心元素上。再然后，将噪声集中的空间谱矩阵的中心元素置零，达到去除噪声分量提高信噪比的目的。最后，进行常规阵列处理，输出空域探测目标的信息。

Description

一种基于水声阵列空域反转的噪声抑制方法
技术领域
本发明涉及的是一种水声信号处理方法，具体地说是一种水声阵列的噪声抑制方法。
背景技术
随着水声工程技术的不断发展，声呐基阵探测系统与水声阵列信号处理逐渐成为海洋水声技术研究的热点。波束形成是指将传感器按照一定几何形状排列，对各阵元传感器的采集数据进行处理，从而获得空间指向性和增益的方法[1]。在水声工程应用中，常用的阵型是拖曳线列阵，通过后续处理可以起到抗噪声和混响的作用，有效提高信噪比，提高目标检测概率。因此，研究水下声呐阵列噪声抑制方法具有重要的工程应用价值。
由于水下声场环境极其复杂，信噪比低，水声阵列处理最重要的就是提高阵列增益和主旁瓣比。常规处理算法稳健性最高，但是阵列增益最低，增益为与阵元数目有关的一个常数，提高阵列增益可以让一些在低信噪比条件下性能不够理想的检测算法得到提高。旁瓣越低，主瓣泄露越少，获得的目标检测空间分辨率越高，检测的效果也越好。
在水声目标探测中，应用最多的就是拖曳线列阵和岸基阵列，两者的阵列流型在理想条件下都是直线分布。阵列处理等价于空间信号采样，标准线性阵列都是半波长间距布阵，可以类比为时域的奈奎斯特采样。从信号的空域角度观察，空间快拍的频率与目标所处的空间方位有关，正横方向是直流信号，往两端去，频率逐渐增高。在时域中，信号加噪声的环境中，信号是时反相关的，噪声具有时反不相关特性[2]。与之类似，空间快拍信号，空间反转也是相关的。在标准线列阵中，各向同性噪声的空间相关半径为半波长，所以噪声空间反转之后也是不相关的。不相关的各向同性噪声的谱矩阵归一化后，为一单位阵，噪声分量主要集中在对角线元素上。文献[3]基于各向同性噪声分量主要集中在空间协方差矩阵的对角线元素上的特点，针对水声阵列工作低信噪比的环境，提出了一种对角减载的噪声抑制方法，有效地提高了阵列处理增益，增强了对水下目标的探测能力。在此基础上，文献[4]提出了基于对角减载的水声阵列SMI-MVDR空间谱估计技术，给出了最佳减载系数的选取原则，对于背景噪声级较强的水声阵列处理环境，所提方法能有效提高声呐多目标分辨能力。
在阵列信号处理中，信噪比越高，阵列处理算法对阵列失配越敏感，为了增加阵列处理算法的稳健性，一种比较常用的方法就是对角加载[5-6]，等价于在空间协方差矩阵中人为增加噪声分量，对角加载的好处是提高了阵列处理算法的稳健性，但是会导致阵列输出信噪比降低。在信噪比非常低的水声环境中，可以通过文献[3]和文献[4]中的对角减载技术适当提高阵列增益，但是过度减载将导致稳健性严重下降，因此文献[7]中提出了稳健高增益MVDR算法，保证在一定稳健性的前提下，获得最大化的阵列处理增益。
实际水下噪声环境非常复杂，归一化的噪声协方差矩阵并不是对角的单位矩阵，文献[8]充分分析了复杂声场的物理特性，并提出了一种复杂声场下的协方差矩阵对角减载技术，提高了DAS(Delay and Sum)波束形成方法在复杂噪声背景下的性能，并通过试验数据验证了算法的有效性。
目前，阵列处理的大部分算法都是对接收信号的协方差矩阵进行某些运算，进行目标的检测和参数估计。与本发明相关的参考文献包括：
[1]HARRY L,VAN T.Optimum array processing[M].4nd ed.New York:John-wiley and Sons,2002；
[2]ZHAO Zhishan,ZHAO Anbang,HUI Juan,HOU,Baochun；SOTUDEHd,R；NIU,Fang.A Frequency Domain Adaptive Matched Filter for Active Sonar Detection[J].Senosrs,2017,17(7):1565；
[3]赵安邦,周彬,宋雪晶,毕雪洁.水声阵列信号处理对角减载技术[J].哈尔滨工程大学学报,2014,35(11):1327-1331；
[4]周彬,赵安邦,龚强,宋雪晶.基于对角减载的水声阵列SMI-MVDR空间谱估计技术[J].系统工程与电子技术,2014,36(12):2381-2387；
[5]B.D CALSON.Covariance Matrix Estimation Errors and DiagonalLoading in Adaptive Arrays[J].IEEE Trans on A&E system.1988,24(4):397-401；
[6]张杰,廖桂生,王珏.对角加载对信号源数检测性能的改善[J].电子学报,2004,32(12):2094-2097；
[7]夏麾军,马远良,汪勇,刘亚雄.高增益对角减载波束形成方法研究[J].声学学报,2016,41(4):449-455；
[8]夏麾军,马远良,刘亚雄.复杂噪声场下对角减载技术的原理及应用[J].物理学报,2017,66(1):1-10。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够有效地提高水声阵列增益的基于水声阵列空域反转的噪声抑制方法。
本发明的目的是这样实现的：
(1)通过N元水听器阵列，采集M次独立快拍的阵列信号，记为X，X为N×M维数据，M至少为阵元个数的10倍，即10N；
(2)通过数字滤波器对每个阵元采集到的信号进行数字滤波预处理，降低干扰和噪声的影响；
(3)对N元水听器每个快拍进行空间反转和卷积，获得虚拟的2N-1个阵元的阵列，阵列孔径扩大一倍，空间反转和卷积后的阵列响应变为：其中f代表工作频率，λ代表信号波长，θ水平角度，d为阵元间距，标准阵元间距为半波长；
(4)根据公式n＝-(N-1),…,(N-1)，其中W(n)代表第n个阵元的权值，对步骤(3)中的空间反转和卷积获得的阵列响应进行均衡；
(5)步骤(1)中N元水听器组成的阵列接收数据的协方差矩阵定义为RX＝E{XXH}，为N×N维矩阵，经过步骤(3)和(4)后获得的噪声信号协方差矩阵为：
代表噪声功率的平方；
(6)经过步骤(3)～(5)噪声分量集中在协方差矩阵的中心元素上，将中心元素置零就抑制掉各项同性噪声；
(7)进行常规波束形成处理，得到噪声抑制后的处理结果。
本发明提出的水声阵列空域反转和噪声抑制处理技术，能有效的扩展阵列虚拟孔径，降低波束响应的旁瓣，并去除协方差矩阵中的各向同性噪声分量，使阵列增益得到了明显的提高，具有一定的研究价值和工程应用前景。
本发明在现有水声阵列目标探测方法基础上，进一步提出了空间反转和卷积技术，通过灵敏度均衡和噪声抑制，有效地提高了水声阵列的增益。
附图说明
图1为标准线列阵的几何布置示意图；
图2为处理流程图；
图3为标准11元阵列，标准21元阵列和由空间反转和卷积获得的21元；
图4为标准11元阵列，标准21元阵列，由空间反转和卷积获得的21元阵列理论增益以及实际增益随信噪比的变化关系；
图5为21元标准线列阵，由空间反转和卷积获得的虚拟阵列的未进行灵敏度均衡和灵敏度均衡的阵列响应；
图6均衡后的阵列增益随信噪比的变化关系；
图7空间反转和卷积获得的阵列，灵敏度均衡，噪声抑制技术对阵列增益的提高效果。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
(1)如图1所示为水下标准线列阵几何布置，阵元位置已知阵元间距为半波长。水声探测系统首先需要通过水听器阵列采集水下目标源的辐射信号，其中包括环境噪声和干扰。图2为发明方法的具体处理流程。
(2)通过处理机的数字滤波器，对目标带宽内的信号进行数字滤波，滤除目标源信号带宽外的噪声和干扰。
(3)对N元水听器阵列采集的M个快拍信号，逐拍进行空间反转并卷积，获得(2N-1)×M的数据，阵元个数虚拟为(2N-1)，孔径扩展一倍。空间反转和卷积后的阵列响应如图3所示，阵列增益随信噪比的变化关系如图4所示。
(4)空间反转和卷积后，对灵敏度引入一个常数因子，根据n＝-(N-1),…,(N-1)对空间反转和卷积后的阵列进行灵敏度均衡，均衡后的阵列响应如图5所示，均衡后的阵列增益的改变如图6所示。
(5)根据空反卷积后并均衡后的阵列数据，估计空反卷积后的接收到的信号协方差矩阵，如果将信号分解为目标信号和噪声，噪声分量仅集中在协方差矩阵的中心元素上。
(6)对信号协方差矩阵的中心元素置零，抑制掉噪声干扰，噪声抑制后阵列的增益变化如图7所示。
(7)进行常规波束形成，对空间进行全波束覆盖，每个波束并行处理，获得水下目标的探测结果。
本发明的优势在于：在背景噪声为各向同性噪声的情况下，对标准阵列的快拍信号进行空反卷积处理，阵列有效孔径可以虚拟延长一倍。处理后的数据，噪声分量集中到协方差矩阵的中心元素上，将其置零之后，可以有效提高阵列处理增益，改善了水声低信噪比环境下的目标探测的能力，对于实际工程应用有重要的意义。

Claims (2)

1.一种基于水声阵列空域反转的噪声抑制方法，其特征是：
(1)通过N元水听器阵列，采集M次独立快拍的阵列信号，记为X，X为N×M维的数据；
(2)通过数字滤波器对每个阵元采集到的信号进行数字滤波预处理；
(3)对N元水听器每个快拍进行空间反转和卷积，获得虚拟的2N-1个阵元的阵列，阵列孔径扩大一倍，空间反转和卷积后的阵列响应变为：其中f代表工作频率，λ代表信号波长，θ水平角度，d为阵元间距，标准阵元间距为半波长；
(4)根据公式其中W(n)代表第n个阵元的权值，对步骤(3)中的空间反转和卷积获得的阵列响应进行均衡；
(5)步骤(1)中N元水听器组成的阵列接收数据的协方差矩阵定义为RX＝E{XXH}，为N×N维矩阵，经过步骤(3)和(4)后获得的噪声信号协方差矩阵为：
代表噪声功率的平方；
(6)经过步骤(3)～(5)噪声分量集中在协方差矩阵的中心元素上，将中心元素置零就抑制掉各项同性噪声；
(7)进行常规波束形成处理，得到噪声抑制后的处理结果。
2.根据权利要求1所述的基于水声阵列空域反转的噪声抑制方法，其特征是：M至少为阵元个数的10倍，即10N。
CN201711085125.9A 2017-11-07 2017-11-07 一种基于水声阵列空域反转的噪声抑制方法 Active CN107861114B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711085125.9A CN107861114B (zh) 2017-11-07 2017-11-07 一种基于水声阵列空域反转的噪声抑制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711085125.9A CN107861114B (zh) 2017-11-07 2017-11-07 一种基于水声阵列空域反转的噪声抑制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107861114A true CN107861114A (zh) 2018-03-30
CN107861114B CN107861114B (zh) 2020-12-29

Family

ID=61701096

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711085125.9A Active CN107861114B (zh) 2017-11-07 2017-11-07 一种基于水声阵列空域反转的噪声抑制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107861114B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109212512A (zh) * 2018-10-15 2019-01-15 东南大学 一种具有空间相关性的水声阵列海洋环境噪声仿真方法
CN112130112A (zh) * 2020-09-20 2020-12-25 哈尔滨工程大学 一种基于声矢量阵联合信息处理信源数估计方法
CN116405072A (zh) * 2022-12-08 2023-07-07 南京锐声海洋科技有限公司 空域反转阵导向最小方差波束形成方法及装置

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005011047A3 (en) * 2003-04-09 2007-03-08 Mano Dorsey Judd Virtual antenna technology (vat) and applications
US20070285315A1 (en) * 2004-01-13 2007-12-13 Davis Dennis W Phase arrays exploiting geometry phase and methods of creating such arrays
WO2008125929A3 (en) * 2007-02-14 2009-04-09 Univ Pisa Method for processing multi-pass radar data for sensing and analysing multiple components of non-stationary scatterers
CN101609150A (zh) * 2009-07-07 2009-12-23 哈尔滨工程大学 一种提高基阵分辨力和增益的快速波束形成方法
CN101876715A (zh) * 2009-10-30 2010-11-03 中国科学院声学研究所 一种拖曳声学阵列的拖船噪声抑制方法
CN106507952B (zh) * 2011-08-04 2014-04-23 西南电子电信技术研究所 一种基于圆阵的快速空间谱计算方法
CN104811867A (zh) * 2015-04-29 2015-07-29 西安电子科技大学 基于阵列虚拟扩展的麦克风阵列空域滤波方法
CN106872935A (zh) * 2017-03-20 2017-06-20 北京理工大学 一种基于四元数的电磁矢量传感器阵列波达方向估计方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005011047A3 (en) * 2003-04-09 2007-03-08 Mano Dorsey Judd Virtual antenna technology (vat) and applications
US20070285315A1 (en) * 2004-01-13 2007-12-13 Davis Dennis W Phase arrays exploiting geometry phase and methods of creating such arrays
WO2008125929A3 (en) * 2007-02-14 2009-04-09 Univ Pisa Method for processing multi-pass radar data for sensing and analysing multiple components of non-stationary scatterers
CN101609150A (zh) * 2009-07-07 2009-12-23 哈尔滨工程大学 一种提高基阵分辨力和增益的快速波束形成方法
CN101876715A (zh) * 2009-10-30 2010-11-03 中国科学院声学研究所 一种拖曳声学阵列的拖船噪声抑制方法
CN106507952B (zh) * 2011-08-04 2014-04-23 西南电子电信技术研究所 一种基于圆阵的快速空间谱计算方法
CN104811867A (zh) * 2015-04-29 2015-07-29 西安电子科技大学 基于阵列虚拟扩展的麦克风阵列空域滤波方法
CN106872935A (zh) * 2017-03-20 2017-06-20 北京理工大学 一种基于四元数的电磁矢量传感器阵列波达方向估计方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YUNG-FANG CHEN: ""Adaptive antenna arrays for the co-channel interference cancellation in OFDM communication systems with virtual carriers"", 《SENSOR ARRAY AND MULTICHANNEL SIGNAL PROCESSING WORKSHOP PROCEEDINGS,2002》 *
梁国龙 等: ""水下声传感器阵列虚拟扩展技术研究"", 《哈尔滨工程大学学报》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109212512A (zh) * 2018-10-15 2019-01-15 东南大学 一种具有空间相关性的水声阵列海洋环境噪声仿真方法
CN109212512B (zh) * 2018-10-15 2019-05-24 东南大学 一种具有空间相关性的水声阵列海洋环境噪声仿真方法
CN112130112A (zh) * 2020-09-20 2020-12-25 哈尔滨工程大学 一种基于声矢量阵联合信息处理信源数估计方法
CN112130112B (zh) * 2020-09-20 2022-09-27 哈尔滨工程大学 一种基于声矢量阵联合信息处理信源数估计方法
CN116405072A (zh) * 2022-12-08 2023-07-07 南京锐声海洋科技有限公司 空域反转阵导向最小方差波束形成方法及装置
CN116405072B (zh) * 2022-12-08 2024-01-26 南京锐声海洋科技有限公司 空域反转阵列导向最小方差波束形成方法及装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN107861114B (zh) 2020-12-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109597022B (zh) 声源方位角运算、定位目标音频的方法、装置和设备
CN109997375B (zh) 同心圆差分麦克风阵列及相关波束形成
CN101482610B (zh) 相控阵雷达自适应抑制特殊干扰方法
US20140314251A1 (en) Broadband sensor location selection using convex optimization in very large scale arrays
US8855326B2 (en) Microphone system and method of operating the same
CN107861114A (zh) 一种基于水声阵列空域反转的噪声抑制方法
CN107369460B (zh) 基于声学矢量传感器空间锐化技术的语音增强装置及方法
CN111024209B (zh) 一种适用于矢量水听器的线谱检测方法
Sun et al. Improving the performance of a vector sensor line array by deconvolution
Bush et al. Broadband implementation of coprime linear microphone arrays for direction of arrival estimation
CN106814360B (zh) 一种基于线性调频信号的多波束测深系统
Reddy et al. Unambiguous speech DOA estimation under spatial aliasing conditions
CN110133579A (zh) 适用于球面麦克风阵列声源定向的球谐波阶数自适应选择方法
Guo et al. Low-frequency beamforming for a miniaturized aperture three-by-three uniform rectangular array of acoustic vector sensors
Xia et al. Noise reduction method for acoustic sensor arrays in underwater noise
Benesty et al. Array beamforming with linear difference equations
CN114245266B (zh) 小型麦克风阵列设备的区域拾音方法及系统
FR2828327A1 (fr) Procede et dispositif de reduction d'echo
Wang et al. Unambiguous broadband direction of arrival estimation based on improved extended frequency-difference method
CN109669172A (zh) 基于主瓣内强干扰抑制的弱目标方位估计方法
CN116106826A (zh) 声源定位方法、相关装置和介质
Xia et al. Delay-and-sum beamforming based on the diagonal reducing method
Atkins et al. Robust superdirective beamformer with optimal regularization
Wang et al. A long line array broadband adaptive beamforming with post-filtering and incoherent noise reduction
Shang et al. The analysis of interference suppression capability of mvdr algorithm based on microphone array

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant