CN108761465A - 一种基于距离维波束形成的三元阵被动测距方法 - Google Patents
一种基于距离维波束形成的三元阵被动测距方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于距离维波束形成的三元阵被动测距方法,基本原理和实施方案经过了计算机数值仿真的验证,其结果表明:与传统三元阵被动测距方法相比,本发明所提基于距离维波束形成的三元阵被动测距方法,可以在不增加信号带宽的前提下获得更高精度的时延估计结果,从而获得优于传统方法的被动测距性能。
Description
技术领域
本发明属于信号处理领域,特别涉及一种基于距离维波束形成的三元阵被动测距方法。
背景技术
水下三元阵被动测距对被动声纳探测具有重要意义(田坦.声呐技术.第2版[M].哈尔滨工程大学出版社,2010.)。传统三元阵被动测距方法主要利用近场球面波或柱面波的波阵面曲率变化的原理,通过测量三元阵中各个阵元上接收信号的相对时延,估计目标的距离。在采集目标辐射噪声后,传统方法采用广义互相关时延估计方法处理得到三元阵之间的相对时延,根据近场条件下三元阵的几何关系进行被动测距(宋新见.数字式噪声目标被动测距声纳研究[D].哈尔滨工程大学,2004.)。因此三元阵被动测距性能主要受时延估计精度的限制。然而,当所能利用的信号带宽有限或目标距离三元阵较远时(目标处于非典型的近场区域),使用传统互相关处理方法获得的时延估计精度不足,从而导致三元阵系统的被动测距性能下降。
发明内容
本发明解决的技术问题是:为了解决已有三元阵被动测距方法因时延测量精度不足而导致的测距性能下降问题,本发明提出一种基于距离维波束形成的三元阵被动测距方法。所提方法从三元阵采集信号的相关输出中提取多组离散频率分量,基于距离维波束形成思想,使用Capon波束形成法和MUSIC法处理离散频率分量,在时间维进行扫描以获得优于传统互相关时延估计方法的高精度时延估计结果,从而获得优于传统三元阵被动测距方法的性能。
本发明的技术方案是:一种基于距离维波束形成的三元阵被动测距方法,包括以下步骤:
步骤一:定义位于同一水平面上的三个等间距阵元构成三元阵被动测距系统,其中设点声源目标为M,三个等间距阵元分别对M的辐射信号进行采集,且采集时长均为T0;对三个阵元上采集的信号进行互相关处理,获得多个时长为2T0的互相关输出;
步骤二:对步骤一得到的多个互相关输出,使用高分辨波束形成方法获得每个互相关输出的高精度时延估计结果,计算出点声源目标与其中一个阵元之间的距离;包括以下子步骤:
子步骤一:将多个互相关输出分别进行傅里叶变换,获得互相关输出的频域结果,且根据频域处理信号占据的频段,在该频段内提取L组离散频率分量X,其中X的每一行代表一组离散频率分量,且第l行中第p个(l=1,2,...,L)离散频率分量表示为Xl(fp);
子步骤二:L组离散频率分量X的中心频率为L×1维列向量f=[f1,f2,…,fL]T,其中fl代表第l(l=1,2,…,L)组离散频率分量的中心频率,[]T表示转置;利用L组离散频率分量X构建L×L维协方差矩阵R:
R=XXH
其中,X=[X1(f1)X2(f2)…XL(fL)]H;
子步骤三:针对步骤一得到的互相关输出设计距离维加权向量a(τ)=exp(-j2πfτ),其中τ为扫描时所使用的时间延迟变量,其取值范围是[0,dmax/c],dmax为三元阵之间阵元间距的最大值;
子步骤四:使用Capon波束形成法或者MUSIC法获得时间维扫描输出;
当使用Capon波束形成法处理互相关输出时,所获得的时间维扫描输出可表示为:
当使用MUSIC法处理互相关输出时,在被动测距时令目标数为1,所获得的时间维扫描输出表示为:
其中,uN为对协方差矩阵R进行特征分解所获得的N-1个小特征值的特征向量所组成的矩阵。
对所有互相关输出获得时间维输出后,通过在峰值附近进行搜索等处理估算得到高精度的时延估计结果。
步骤三:依据步骤二中测得的高精度相对时延,分别代入等间距三元阵测距的计算公式,获得目标的测距结果:
式中,τ12和τ23分别为所估计的1号和2号、2号和3号阵元接收信号的时间差,τd=τ23-nτ12是时间差之差,d是相邻阵元间距,θ是点声源目标与2号阵元的方位角,c是声速。
发明效果
本发明的技术效果在于:本发明的基本原理和实施方案经过了计算机数值仿真的验证,其结果表明:与传统三元阵被动测距方法相比,本发明所提基于距离维波束形成的三元阵被动测距方法,可以在不增加信号带宽的前提下获得更高精度的时延估计结果,从而获得优于传统方法的被动测距性能。
附图说明
图1为基于距离维波束形成的等间距三元阵被动测距的几何关系示意图;
图2为接收信号通过广义互相关器处理的流程图;
图3为本发明中对互相关输出使用距离维波束形成思想获得高精度时延估计的流程;
图4为实施实例中分频段处理后选取的带通信号的频域表示;
图5为实施实例中1,2号阵元信号互相关经过传统方法、距离维Capon和距离维MUSIC方法处理后波束输出的结果比较;
图6为实施实例中经过常规波束形成和距离维波束形成处理的10km测距结果;
具体实施方式
参见图1-图6,本发明解决现存问题所采用的技术方案可分为以下3个步骤:
1)使用三元阵采集到一段目标信号,对各个阵元上接收的信号进行互相关处理,获得多个互相关输出。
2)针对步骤1)中获得的多个互相关输出,从每个互相关输出所占据的频带范围内提取多组离散频率分量。根据距离维波束形成的思想,使用提取的多组离散频率分量构建协方差矩阵并设计时间维加权向量,使用Capon波束形成法和MUSIC法(令目标数为1),沿着时间维进行扫描获得高精度时延估计结果。
3)利用估计出的时延计算目标所在距离。根据近场条件下三元阵的几何关系,将步骤2)所估计的高精度时延结果、三元水听器阵元间距等参数代入距离计算公式,得到目标所在距离。
使用三元阵采集到一段时长为T0的目标信号后,对该信号进行互相关处理,获得
多个时长为2T0的互相关输出(已有技术,但这是三元阵被动测距必不可少的一步)。
对互相关输出使用高分辨波束形成方法获得高精度时延估计结果,并据此计算出目标所在距离。将时域互相关输出进行傅里叶变换获得频域互相关输出,根据信号占据的频段在频域提取L组离散频率分量X,其中X的每一行代表一组离散频率分量,L组离散频率分量的中心频率为L×1维列向量f=[f1,f2,…,fL]T,其中fl代表第l(l=1,2,…,L)组离散频率分量的中心频率,[]T表示转置。利用L组离散频率分量X构建L×L维协方差矩阵R,即R=XXH。针对互相关输出设计时间维加权向量a(τ)=exp(-j2πfτ),其中τ为时延变量,其取值范围是[0,dmax],其中dmax表示三元阵中阵元间距的最大值。根据距离维波束形成的思想,沿着时间维进行扫描获得互相关输出上的高精度时延估计结果。根据距离维Capon波束形成法,对应的时间维输出可表示为b(τ)=1/[aH(τ)R-1a(τ)];根据距离维MUSIC法,令目标数为1,对应的时间维输出表示为,其中uN为对协方差矩阵R进行特征分解时N-1个小特征值的特征向量所组成的矩阵。对所有互相关输出进行处理获得时间维输出后,通过在峰值附近搜索估计出时延,利用所估计的时延、三元水听器阵元间距计算目标距离。
通过计算机数值仿真给出了传统三元阵被动测距法和本发明中方法的被动测距结果,以此证明了本发明所提方法可以获得好的被动测距性能。
下面对本发明的每个步骤作详细说明:
步骤1)主要处理三元阵采集的信号获得多个互相关输出,所涉及的具体内容如下:
如图1所示,假设在直线上布放三个等间距阵元构成三元阵被动测距系统,阵元间距为d。要测量的是点声源目标M与2号阵元的距离r2。设点声源目标与2号阵元的方位角为θ,目标与三个阵元的距离分别为r1,r2和r3,对应的声波传播时间为τ1,τ2和τ3。记r2=cτ2=τ。τi,k为第i和k号阵元接收信号间的相对时延,c为水下声速。
设声源辐射的占据一定频段的带通信号为s(t),在有噪声存在的情况下,用三个水听器采集远处声源的辐射信号,经过接收距离ri的传播,第i(i=1,2,3)号接收阵元收到目标辐射信号xi(t)可表示为
式中,xi(t)为第i号阵元采集的信号,ni(t)为第i号阵元上的噪声,ri为点声源目标M到第i个阵元的距离,c是声速。
不同阵元接收信号之间的相互关系可以用以下关系式予以描述:
其中,xi(t)和xk(t)分别是第i和k号阵元的接收信号。若以第i号阵元接收的辐射带通信号s(t)为参考,则第k号阵元接收的辐射带通信号为s(t-τi,k)。τi,k为第i和k号阵元接收信号间的相对时延;ni(t)和nk(t)分别为第i和k号接阵元上的噪声。
按照图2所示流程计算不同阵元接收信号间的广义互相关函数。使用三元阵采集到一段时长为T0的目标信号后,以第i和k号阵元接收的同频段信号为例,根据(3)式计算xi(t)和xk(t)的广义互相关函数:
其中,hk(t)和hi(t)分别为xk(t)和xi(t)的前置滤波器,E[]表示数学期望。
重复上一步骤,对不同阵元的同频段接收信号进行互相关处理,获得多个时长为2T0的互相关输出。
步骤2)主要关于使用距离维波束形成处理互相关输出获得高精度时延估计结果,所涉及的具体内容如下:
将(1)式中时域信号进行傅里叶变换转到频域处理,根据信号占据的频段在频域提取L组离散频率分量X,其中X的每一行代表一组离散频率分量,且第l行中第p个(l=1,2,...,L)离散频率分量表示为Xl(fp)。
L组离散频率分量的中心频率为L×1维列向量f=[f1,f2,…,fL]T,其中fl代表第l(l=1,2,…,L)组离散频率分量的中心频率,[]T表示转置。利用L组离散频率分量X构建L×L维协方差矩阵R:
R=XXH (4)
其中,X=[X1(f1)X2(f2)…XL(fL)]H。
针对互相关输出设计距离维加权向量a(τ)=exp(-j2πfτ),其中τ为扫描时所使用的时间延迟变量,其取值范围是[0,dmax/c],dmax为三元阵之间阵元间距的最大值。根据距离维波束形成的思想,沿着时间维进行扫描获得互相关输出所对应的高精度时延估计结果。
针对Capon波束形成法,对应的时间维输出可表示为:
针对MUSIC法,在被动测距时令目标数为1,对应的时间维输出表示为:
其中,uN为对协方差矩阵R进行特征分解所获得的N-1个小特征值的特征向量所组成的矩阵。对所有互相关输出获得时间维输出后,通过在峰值附近进行搜索等处理估算得到高精度的相对时延。
步骤3)主要关于使用估计的时延结果计算目标所在距离,所涉及的具体内容如下:按照步骤2)方法测得的时延,分别代入等间距三元阵测距的计算公式(田坦.声呐技术.第2版[M].哈尔滨工程大学出版社,2010.),获得目标的测距结果:
式中,τd=τ23-nτ12是时间差之差,d是相邻阵元间距。
本发明中利用距离维波束形成进行三元阵被动测距的具体流程如图3所示。
以典型的三元阵被动测距为例,给出本发明的实施实例。实施实例利用计算机进行数值仿真,来检验本发明所提方法的效果。
设声波在水下传播的真实速度为1500米/秒。接收阵元等间距水平布放,阵元间距100m。接收端采样频率设为2.4kHz,接收功率信噪比设为20dB,所加噪声为高斯白噪声,采用频带级定义噪声级。三元阵接收的信号所在频段为100Hz-200Hz(频谱如图4所示),对应的中心频率分别为150Hz,信号脉宽为3秒。在100Hz-200Hz频段范围内,每隔10Hz提取一组离散频率分量,共取出10组离散频率分量。由于三元阵的阵元间距最小值为0米,阵元间距的最大值200米,将距离差扫描范围设为0米到200米,以此计算对应的时延扫描范围。
根据图3的流程对采样信号进行处理,获得本发明中方法的处理结果,分别如图5和图6所示。其中,图5为目标在5km处,1、2号阵元信号的广义互相关输出、本发明中Capon方法和本发明中MUSIC方法处理后的输出结果。从图5可知,本发明中提出的Capon法和MUSIC法可以在真实的时延位置附近形成尖锐的峰值,比传统的广义互相关时延估计方法相比有了显著的提高。图6给出了目标位于10km处100次测量结果的平均值。由图6可知,本发明方法中的距离维Capon法和距离维MUSIC法受时延误差的影响明显减弱,获得比传统广义互相关方法更精确的被动测距结果。
根据实施实例,可以认为本发明中所提出的基于距离维波束形成的三元阵被动测距方法可以获得优于传统三元阵被动测距方法的性能,所提方法是可行的。
Claims (1)
1.一种基于距离维波束形成的三元阵被动测距方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:定义位于同一水平面上的三个等间距阵元构成三元阵被动测距系统,其中设点声源目标为M,三个等间距阵元分别对M的辐射信号进行采集,且采集时长均为T0;对三个阵元上采集的信号进行互相关处理,获得多个时长为2T0的互相关输出;
步骤二:对步骤一得到的多个互相关输出,使用高分辨波束形成方法获得每个互相关输出的高精度时延估计结果,计算出点声源目标与其中一个阵元之间的距离;包括以下子步骤:
子步骤一:将多个互相关输出分别进行傅里叶变换,获得互相关输出的频域结果,且根据频域处理信号占据的频段,在该频段内提取L组离散频率分量X,其中X的每一行代表一组离散频率分量,且第l行中第p个(l=1,2,...,L)离散频率分量表示为Xl(fp);
子步骤二:L组离散频率分量X的中心频率为L×1维列向量f=[f1,f2,…,fL]T,其中fl代表第l(l=1,2,…,L)组离散频率分量的中心频率,[]T表示转置;利用L组离散频率分量X构建L×L维协方差矩阵R:
R=XXH
其中,X=[X1(f1)X2(f2)…XL(fL)]H;
子步骤三:针对步骤一得到的互相关输出设计距离维加权向量a(τ)=exp(-j2πfτ),其中τ为扫描时所使用的时间延迟变量,其取值范围是[0,dmax/c],dmax为三元阵之间阵元间距的最大值;
子步骤四:使用Capon波束形成法或者MUSIC法获得时间维扫描输出;
当使用Capon波束形成法处理互相关输出时,所获得的时间维扫描输出可表示为:
当使用MUSIC法处理互相关输出时,在被动测距时令目标数为1,所获得的时间维扫描输出表示为:
其中,uN为对协方差矩阵R进行特征分解所获得的N-1个小特征值的特征向量所组成的矩阵。
对所有互相关输出获得时间维输出后,通过在峰值附近进行搜索等处理估算得到高精度的时延估计结果。
步骤三:依据步骤二中测得的高精度相对时延,分别代入等间距三元阵测距的计算公式,获得目标的测距结果:
式中,τ12和τ23分别为所估计的1号和2号、2号和3号阵元接收信号的时间差,τd=τ23-nτ12是时间差之差,d是相邻阵元间距,θ是点声源目标与2号阵元的方位角,c是声速。
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