CN109597021B - 一种波达方向估计方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波达方向估计方法及装置。该方法包括步骤如下：采用三轴声阵列同步采集在X、Y、Z三个方向的待测信号、对采集的信号进行空域和时域二维傅里叶变换和最大值搜索、将计算得到的标量波数分量kx、ky、kz合成矢量波矢
Figure DDA0001854148670000011
利用空间几何相关知识进行空间角度计算最终得到波达方向等步骤。该装置包括声波传感模块、AD采集模块、数据处理模块、波达方向计算模块；可实现二维波达方向估计，使用灵活、估计结果稳定且精度高、实用性好。

Description

一种波达方向估计方法及装置
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种基于空域和时域傅里叶变换的波达方向估计方法及装置。
背景技术
阵列信号处理是信号处理的一个重要分支，在雷达、声纳、通信、地震数据处理和医用成像等众多领域得到广泛的应用。波达方向(DOA)估计是阵列信号处理的一个主要研究内容，在雷达、声纳、通信等领域广泛应用。DOA估计是为了确定信号的方位，从接收数据中测出信号方向。阵列信号处理首先需要借助阵列获取多通道信号，阵列通常由多个传感器按照一定的拓扑结构组成，典型的阵列包括线阵、方阵或圆阵等。
可用于波达方向估计的方法有多种，传统的包括时延估计方法、波束形成估计方法以及极大似然估计方法等。这些传统方法由于一些缺点和局限性，逐渐被较成熟的基于多信号分类(MUSIC)估计方法和Sawada-ICA法所取代。
MUSIC是一种高分辨率的DOA算法，其不足之处在于：估计结果易受外来干扰噪声的影响，在强噪声干扰环境下甚至可能导致错误的估计结果。
Sawada-ICA法是基于时-频域独立分量分析(ICA)的DOA估计方法，其不足之处在于：没有考虑外加噪声分量，导致该方法的实用性较差，需要人为选取频响函数进行估计，效率比较低。
发明内容
本发明所解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提出一种波达方向估计方法及装置，可实现二维波达方向估计，测量装置简单，使用灵活、实用性好，可广泛应用在雷达、声纳、通信等领域。
本发明所采用的技术方案是：一种波达方向估计方法，包括步骤如下：
步骤一、以三列线阵两两正交构成传感器阵列，采集被测声源在X、Y、Z轴方向的声信号，并完成声信号的模数转化；X、Y、Z轴分别沿三列线阵方向；
步骤二、将步骤一中采集到的声信号按照X、Y、Z轴划分为u(x,t)、u(y,t)、u(z,t)三个二维时空t-s矩阵，t表示时间，s表示空间；
步骤三、对步骤二中经过划分的三个t-s矩阵分别进行二维傅里叶变换，得到对应的三个频率波数f-k矩阵，f表示频率，k表示波数；
步骤四、对步骤三得到的f-k矩阵进行峰值检测，获得三个f-k矩阵的峰值，峰值对应的波数值分别为kx、ky、kz；
步骤五、将步骤四获得的波数值kx、ky、kz合成得到声波到达的波矢
Figure BDA0001854148650000025
波矢
Figure BDA0001854148650000024
的方向为波达方向。
所述步骤一中的传感器阵列由两两正交的线阵构成，根据空间乃奎斯特采样定律，线阵中传感器的间隔小于声波波长的一半，每条线阵长度大于两个声波波长。
所述步骤三中对二维时空t-s矩阵进行二维傅里叶变换指对声信号的空域和时域进行傅里叶变换，其中，对X、Y、Z轴数据的空域和时域傅里叶变换公式分别为：
Figure BDA0001854148650000021
Figure BDA0001854148650000022
Figure BDA0001854148650000023
式中，U(kx,f)、U(ky,f)、U(kz,f)分别表示经过空域和时域傅里叶变换得到X、Y、Z轴方向的f-k矩阵。
所述步骤四中，对f-k矩阵进行峰值检测指对步骤三中的f-k矩阵中阵列采集的声场信息进行频域和波数域滤波，获得来波在X、Y、Z轴方向的波数分量kx、ky、kz。
所述步骤五中波矢
Figure BDA0001854148650000031
利用如下公式计算得出波达方向的方位角θ和俯仰角
Figure BDA0001854148650000032
其中，方位角θ定义为波达方向在XY平面内投影与X轴的夹角，俯仰角
Figure BDA0001854148650000033
定义为波达方向与XY平面的夹角：
Figure BDA0001854148650000034
一种波达方向估计装置，包括：声波传感模块、AD采集模块、数据处理模块、波达方向计算模块；
声波传感模块，包括三列两两正交的传感器阵列，采集被测声源在X、Y、Z轴方向的声信号；
AD采集模块，将声波传感模块采集的模拟信号通过模数转换转变成数字信号；
数据处理模块，将采集到的声信号按照X、Y、Z轴划分为u(x,t)、u(y,t)、u(z,t)三个二维时空t-s矩阵；对经过划分的三个t-s矩阵分别进行二维傅里叶变换，得到对应的三个频率波数f-k矩阵；对f-k矩阵进行峰值检测，获得三个f-k矩阵的峰值和对应的波数值kx、ky、kz；其中，t表示时间，s表示空间，f表示频率，k表示波数；
波达方向计算模块，将波数值kx、ky、kz合成得到声波到达的波矢
Figure BDA0001854148650000035
计算波达方向的方位角θ和俯仰角
Figure BDA0001854148650000036
所述声波传感模块中的传感器阵列由两两正交的线阵构成，根据空间乃奎斯特采样定律，线阵中传感器的间隔小于声波波长的一半，每条线阵长度大于两个声波波长。
所述数据处理模块对二维时空t-s矩阵进行二维傅里叶变换指对声信号的空域和时域进行傅里叶变换，其中，对X、Y、Z轴数据的空域和时域傅里叶变换公式分别为：
Figure BDA0001854148650000041
Figure BDA0001854148650000042
Figure BDA0001854148650000043
式中，U(kx,f)、U(ky,f)、U(kz,f)分别表示经过空域和时域傅里叶变换得到X、Y、Z轴方向的f-k矩阵。
所述波矢
Figure BDA0001854148650000044
利用如下公式计算得出波达方向的方位角θ和俯仰角
Figure BDA0001854148650000045
其中，方位角θ定义为波达方向在XY平面内投影与X轴的夹角，俯仰角
Figure BDA0001854148650000046
定义为波达方向与XY平面的夹角：
Figure BDA0001854148650000047
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明提供了一种新的波达方向估计方法，采用三轴声阵列采集被测信号，可实现二维波达方向估计，计算简单有效，可用于在线实时跟踪，便于应用推广；
(2)本发明采用了基于二维傅里叶变换的阵列信号处理方法，通过频域和波数域滤波，有效滤除外来干扰噪声的影响，波达方向估计结果稳定，精度高，实用性好；
(3)本发明提供了一种新的波达方向估计装置，包括声波传感模块、AD采集模块、数据处理模块、波达方向计算模块，具有装置简单、使用灵活、实用性好的特点，在多个装置组阵使用时，可快速实现声源定位。
(4)本发明中的数据处理模块对采集数据进行二维傅里叶变换操作，该数据处理模块为集成快速傅里叶变换算法的定制硬件，实现数据处理的硬件加速，快速估计声源信号波达方向。
附图说明
图1是本发明提供的波达方向估计流程框图；
图2是本发明的实施示意图；
图3是本发明的波达方向估计装置的系统组成框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
图1为本方法的流程框图，一种波达方向估计方法，包括步骤如下：
步骤一：布设传感器阵列，如图2所示，以三条线阵两两正交构成传感器阵列，根据空间乃奎斯特采样定律，线阵中传感器的间隔小于声波波长的一半，为了充分采集声场空间信息，每条线阵长度大于两个声波波长。传感器阵列同步采集被测声源在X、Y、Z三个方向的声信号，并通过AD采集模块完成声信号的模数转化；
步骤二：将步骤一中采集到的声信号数据按照X、Y、Z轴进行分组，分为u(x,t)、u(y,t)、u(z,t)三个二维时空t-s矩阵，即其中一维为时间采样，另一维为空间采样；t表示时间，s表示空间。x,y,z分别表示X、Y、Z轴上对应的采样点坐标值；
步骤三：对步骤二中经过划分的三个二维矩阵分别进行空域和时域二维傅里叶变换，得到对应的三个频率波数f-k矩阵，对X、Y、Z轴数据的空域和时域傅里叶变换公式分别为：
Figure BDA0001854148650000051
Figure BDA0001854148650000052
Figure BDA0001854148650000053
式中，U(kx,f)、U(ky,f)、U(kz,f)分别表示经过空域和时域傅里叶变换得到X、Y、Z轴方向的f-k矩阵。f表示频率，k表示波数。
步骤四：对步骤三得到的f-k矩阵进行峰值检测，获得三个f-k矩阵的峰值，而峰值对应的波数值分别为kx、ky、kz；
步骤五：将步骤四计算得到的标量波数分量kx、ky、kz合成矢量波矢
Figure BDA0001854148650000061
波矢
Figure BDA0001854148650000062
波矢
Figure BDA0001854148650000063
的方向即为波达方向。进一步，将波达方向分为方位角θ和俯仰角
Figure BDA0001854148650000064
方位角θ定义为波达方向在XY平面内投影与X轴的夹角，俯仰角
Figure BDA0001854148650000065
定义为波达方向与XY平面的夹角，利用公式：
Figure BDA0001854148650000066
Figure BDA0001854148650000067
计算得出波达方向的方位角θ和俯仰角
Figure BDA0001854148650000068
如图3所示，一种波达方向估计装置，包括：声波传感模块、AD采集模块、数据处理模块、波达方向计算模块；
声波传感模块，包括三列两两正交的传感器阵列，采集被测声源在X、Y、Z轴方向的声信号；
AD采集模块，将声波传感模块采集的模拟信号通过模数转换转变成数字信号；
数据处理模块，将采集到的声信号按照X、Y、Z轴划分为u(x,t)、u(y,t)、u(z,t)三个二维时空t-s矩阵；对经过划分的三个t-s矩阵分别进行二维傅里叶变换，得到对应的三个频率波数f-k矩阵；对f-k矩阵进行峰值检测，获得三个f-k矩阵的峰值和对应的波数值kx、ky、kz；其中，t表示时间，f表示频率，k表示波数；
波达方向计算模块，将波数值kx、ky、kz合成得到声波到达的波矢
Figure BDA0001854148650000069
计算波达方向的方位角θ和俯仰角
Figure BDA00018541486500000610
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种波达方向估计方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤一、以三列线阵两两正交构成传感器阵列，采集被测声源在X、Y、Z轴方向的声信号，并完成声信号的模数转化；X、Y、Z轴分别沿三列线阵方向；
步骤二、将步骤一中采集到的声信号按照X、Y、Z轴划分为u(x,t)、u(y,t)、u(z,t)三个二维时空t-s矩阵，t表示时间，s表示空间；
步骤三、对步骤二中经过划分的三个t-s矩阵分别进行二维傅里叶变换，得到对应的三个频率波数f-k矩阵，f表示频率，k表示波数；
步骤四、对步骤三得到的f-k矩阵进行峰值检测，获得三个f-k矩阵的峰值，峰值对应的波数值分别为kx、ky、kz；
步骤五、将步骤四获得的波数值kx、ky、kz合成得到声波到达的波矢
Figure FDA0002644591360000011
波矢
Figure FDA0002644591360000012
的方向为波达方向；
所述步骤一中的传感器阵列由两两正交的线阵构成，根据空间乃奎斯特采样定律，线阵中传感器的间隔小于声波波长的一半，每条线阵长度大于两个声波波长；
所述步骤三中对二维时空t-s矩阵进行二维傅里叶变换指对声信号的空域和时域进行傅里叶变换，其中，对X、Y、Z轴数据的空域和时域傅里叶变换公式分别为：
Figure FDA0002644591360000013
Figure FDA0002644591360000014
Figure FDA0002644591360000015
式中，U(kx,f)、U(ky,f)、U(kz,f)分别表示经过空域和时域傅里叶变换得到X、Y、Z轴方向的f-k矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种波达方向估计方法，其特征在于：所述步骤四中，对f-k矩阵进行峰值检测指对步骤三中的f-k矩阵中阵列采集的声场信息进行频域和波数域滤波，获得来波在X、Y、Z轴方向的波数分量kx、ky、kz。
3.根据权利要求2所述的一种波达方向估计方法，其特征在于：所述步骤五中波矢
Figure FDA0002644591360000021
利用如下公式计算得出波达方向的方位角θ和俯仰角
Figure FDA0002644591360000022
其中，方位角θ定义为波达方向在XY平面内投影与X轴的夹角，俯仰角
Figure FDA0002644591360000023
定义为波达方向与XY平面的夹角：
Figure FDA0002644591360000024
4.一种波达方向估计装置，其特征在于，包括：声波传感模块、AD采集模块、数据处理模块、波达方向计算模块；
声波传感模块，包括三列两两正交的传感器阵列，采集被测声源在X、Y、Z轴方向的声信号；
AD采集模块，将声波传感模块采集的模拟信号通过模数转换转变成数字信号；
数据处理模块，将采集到的声信号按照X、Y、Z轴划分为u(x,t)、u(y,t)、u(z,t)三个二维时空t-s矩阵；对经过划分的三个t-s矩阵分别进行二维傅里叶变换，得到对应的三个频率波数f-k矩阵；对f-k矩阵进行峰值检测，获得三个f-k矩阵的峰值和对应的波数值kx、ky、kz；其中，t表示时间，s表示空间，f表示频率，k表示波数；
波达方向计算模块，将波数值kx、ky、kz合成得到声波到达的波矢
Figure FDA0002644591360000025
计算波达方向的方位角θ和俯仰角
Figure FDA0002644591360000026
5.根据权利要求4所述的一种波达方向估计装置，其特征在于：所述声波传感模块中的传感器阵列由两两正交的线阵构成，根据空间乃奎斯特采样定律，线阵中传感器的间隔小于声波波长的一半，每条线阵长度大于两个声波波长。
6.根据权利要求5所述的一种波达方向估计装置，其特征在于：所述数据处理模块对二维时空t-s矩阵进行二维傅里叶变换指对声信号的空域和时域进行傅里叶变换，其中，对X、Y、Z轴数据的空域和时域傅里叶变换公式分别为：
Figure FDA0002644591360000031
Figure FDA0002644591360000032
Figure FDA0002644591360000033
式中，U(kx,f)、U(ky,f)、U(kz,f)分别表示经过空域和时域傅里叶变换得到X、Y、Z轴方向的f-k矩阵。
7.根据权利要求6所述的一种波达方向估计装置，其特征在于：所述波矢
Figure FDA0002644591360000034
利用如下公式计算得出波达方向的方位角θ和俯仰角
Figure FDA0002644591360000035
其中，方位角θ定义为波达方向在XY平面内投影与X轴的夹角，俯仰角
Figure FDA0002644591360000036
定义为波达方向与XY平面的夹角：
Figure FDA0002644591360000037
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