CN110390073B - 一种矢量传感的多通道空间合成方位滤波方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种矢量传感的多通道空间合成方位滤波方法，利用矢量传感器采集4通道信号，设定波达方向的角度搜索范围间隔，对应将给出水平方向角的角度范围的分割为多个搜索空间角度范围的集合，对多空间方位的每一个搜索范围间隔Δθ进行矢量合成，将合成信号与声压信号p(t)做互相关，对相关度值进行排序，选择最大相关度值并输出其所对应的合成信号。本发明利用矢量传感接收信号的空间方位特性，对平面振速通道的离散空间合成，利用噪声的空间性及信号的方位性，通过对合成信号与声压通道的相关性实现方位滤波，滤除空间其他方位的干扰信息，解决了传统标量声传感技术下滤波降噪的难题。

Description

一种矢量传感的多通道空间合成方位滤波方法

技术领域

本发明涉及信号处理领域，尤其是一种新型水下矢量信号处理方法。

背景技术

21世纪以来，世界各国在政治、经济、军事方面围绕海洋领域的竞争愈演愈烈，世界各国均提出了相应的海洋发展战略，对海洋资源的保护、开发、利用已成为世界共同关注的焦点。当前，我国的国家核心利益主要体现在经济发展和安全权益两个方面，经济建设是改革开放以来的中心任务，而维护海洋权益是新时期实现海洋强国的根本保证。因此，研究先进的微弱信号检测方法对远距离水中目标探测和识别具有巨大的研究价值和现实意义。

矢量声信号是由矢量水听器对声场空间一点处的声压和质点振速的若干正交分量直接测量所得，与传统水听器测得的声压信号相比，矢量水听器(UAV)一般包含一个声场的声压(标量)通道以及三个声场振速的三维正交矢量通道，能够反映更加完整的声场信息，可以支持更丰富的信号处理方法及应用需求。

针对这种新型的矢量传感器，利用其独有的空间方位特性开展信号处理的方法是一个值得深入的研究方向，由于环境噪声具空间性，其本质是产生自不同方位、不同距离的合成，因此利用矢量合成来实现方位滤波方法可以得到强的空间指向性，进而提升滤波降噪性能，能够为空间方位相关的信号处理方法及应用奠定基础。

发明内容

为了克服现有技术的不足，针对常规方法依赖先验信息、在远距离低信噪比下效果变差的问题，本发明提供一种矢量传感的多通道空间合成方位滤波方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体步骤如下：

第一步：利用矢量传感器采集4通道信号，声压p(t)及正交的三维振速分量v_x(t)、v_y(t)、v_z(t)，各通道的接收信号表示为：

其中s(t)为目标信号，n_p(t)、n_x(t)、n_y(t)、n_z(t)表示各通道的噪声，为独立同分布的；ρ为环境密度，c为声速，θ为水平方向角，α为俯仰角，表示为向量形式r：

r＝s(t)I+n (2)

式中I为振速的方向矢量，n为噪声方向矢量：

第二步：考虑二维平面，初始化波达方向的水平方向角θ的角度范围[0,2π]；

第三步：设定波达方向的角度搜索范围间隔为Δθ，对应将给出水平方向角θ的角度范围[0,2π]的分割为多个搜索空间角度范围的集合{[θ₁,θ₂],[θ₂,θ₃],...,[θ_M-1,θ_M]}，θ₁＝0,θ_M＝2π,Δθ＝2π/M为一个确定的值，实际中M的取值可根据要求的精度与算法复杂度进行折衷选取，一般Δθ＝1°；

第四步：对多空间方位的每一个搜索范围间隔Δθ进行矢量合成，得到合成后的信号：

其中r(t,Δθ)表示合成信号，N表示对每一个搜索空间角度范围如[θ₁,θ₂]的等分离散化，i表示对搜索空间角度范围[θ₁,θ₂]的第i个等分离散化，θ_i＝i(θ₂-θ₁)/N；

第五步：将合成r(t,Δθ)与声压信号p(t)做互相关，记录对应的相关度值

其中μ_r和μ_p分别为合成信号与声压信号的均值，重复第三步到第五步直到搜索完成全部的水平方向角θ的角度范围；

第六步：对第五步得到的相关度值进行排序，选择最大相关度值并输出其所对应的合成信号。

本发明的有益效果在于利用矢量传感接收信号的空间方位特性，对平面振速通道的离散空间合成，利用噪声的空间性及信号的方位性，通过对合成信号与声压通道的相关性实现方位滤波，滤除空间其他方位的干扰信息，解决了传统标量声传感技术下滤波降噪的难题。

附图说明

图1为本发明矢量被动空间感知示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

针对新型矢量传感器的快速发展，利用其空间特性，本发明提供一种单矢量传感的空间合成方位滤波方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体步骤如下：

第一步：利用矢量传感器采集4通道信号，矢量传感通常由声压传感器和三维振速传感器构成，测量空间同一点处的声压P及正交的三维振速分量。其中三维振速分量v_x、v_y、v_z是对单位功率水声波阵面测量入射波场声振速v(t)的笛卡尔分量：

声压p(t)及正交的三维振速分量v_x(t)、v_y(t)、v_z(t)，各通道的接收信号表示为：

其中s(t)为目标信号，n_p(t)、n_x(t)、n_y(t)、n_z(t)表示各通道的噪声，为独立同分布的；ρ为环境密度，c为声速，θ为水平方向角，x轴正方向为0°，α为俯仰角，以水平面(xoy平面)为0°，t表示时间，表示为向量形式r：

r＝s(t)I+n (2)

式中I为振速的方向矢量，n为噪声方向矢量：

第二步：考虑二维平面，初始化波达方向的水平方向角θ的角度范围[0,2π]；

第三步：设定波达方向的角度搜索范围间隔为Δθ，对应将给出水平方向角θ的角度范围[0,2π]的分割为多个搜索空间角度范围的集合{[θ₁,θ₂],[θ₂,θ₃],...,[θ_M-1,θ_M]}，θ₁＝0,θ_M＝2π,Δθ＝2π/M为一个确定的值，实际中M的取值可根据要求的精度与算法复杂度进行折衷选取，一般Δθ＝1°；

第四步：对多空间方位的每一个搜索范围间隔Δθ进行矢量合成，得到合成后的信号：

其中r(t,Δθ)表示合成信号，N表示对每一个搜索空间角度范围如[θ₁,θ₂]的等分离散化，i表示对搜索空间角度范围[θ₁,θ₂]的第i个等分离散化，θ_i＝i(θ₂-θ₁)/N；

第五步：将合成r(t,Δθ)与声压信号p(t)做互相关，记录对应的相关度值

其中μ_r和μ_p分别为合成信号与声压信号的均值，重复第三步到第五步直到搜索完成全部的水平方向角θ的角度范围；

第六步：对第五步得到的相关度值进行排序，选择最大相关度值并输出其所对应的合成信号。

Claims (1)

1.一种矢量传感的多通道空间合成方位滤波方法，其特征在于包括下述步骤：

第一步：利用矢量传感器采集4通道信号，声压p(t)及正交的三维振速分量v_x(t)、v_y(t)、v_z(t)，各通道的接收信号表示为：

其中s(t)为目标信号，n_p(t)、n_x(t)、n_y(t)、n_z(t)表示各通道的噪声，为独立同分布的；ρ为环境密度，c为声速，θ为水平方向角，α为俯仰角，表示为向量形式r：

r＝s(t)I+n (2)

式中I为振速的方向矢量，n为噪声方向矢量：

第二步：考虑二维平面，初始化波达方向的水平方向角θ的角度范围[0,2π]；

第三步：设定波达方向的角度搜索范围间隔为Δθ，对应将给出水平方向角θ的角度范围[0,2π]的分割为多个搜索空间角度范围的集合{[θ₁,θ₂],[θ₂,θ₃],...,[θ_M-1,θ_M]}，θ₁＝0,θ_M＝2π,Δθ＝2π/M为一个确定的值；

第四步：对多空间方位的每一个搜索范围间隔Δθ进行矢量合成，得到合成后的信号：

其中r(t,Δθ)表示合成信号，N表示对每一个搜索空间角度范围如[θ₁,θ₂]的等分离散化，i表示对搜索空间角度范围[θ₁,θ₂]的第i个等分离散化，θ_i＝i(θ₂-θ₁)/N；

第五步：将合成r(t,Δθ)与声压信号p(t)做互相关，记录对应的相关度值

其中μ_r和μ_p分别为合成信号与声压信号的均值，重复第三步到第五步直到搜索完成全部的水平方向角θ的角度范围；

第六步：对第五步得到的相关度值进行排序，选择最大相关度值并输出其所对应的合成信号。

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