CN112649787B - 一种基于低频圆环阵的目标方位估计方法 - Google Patents

一种基于低频圆环阵的目标方位估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于低频圆环阵的目标方位估计方法，属于水声信号探测领域。水听器接收20Hz‑5kHz的水声信号；ADC将模拟信号转换成数字信号，对AD信号进行频谱分析、波束形成、方位估计得到信号目标方向，接收串口的指令将波束形成结果输出。同时将AD采集的原始数据通过DDR存储到大容量SD卡。本发明提前存储权值向量，降低了软件的复杂程度，降低了软件运算周期，提高了检测效率和实时性；针对相干信号抵消现象，采用注入人为噪声的方法，即通常说的对角加载技术；采用对角加载加权系数能在保证MVM方法高增益的情况下大幅提高波束波束形成的稳健性。

Description

一种基于低频圆环阵的目标方位估计方法
技术领域
本发明涉及水声信号探测技术领域，特别涉及一种基于低频圆环阵的目标方位估计方法。
背景技术
水听器基阵在空间不同点上采样信号，通过以不同的方式对接收信号进行综合预处理，可以让期望方向上到达基阵的信号，尽可能无失真的通过，而同时对其他方向上的入射能量进行抑制。
波束形成器与时域处理中的滤波器相同，起到对出入信息的过滤作用，其输出应该比输入具有更好、更理想的特性。基阵波束性能的优劣主要由波束宽度和旁瓣高度来衡量，它受基阵中多个参数的制约。
在常规波束形成法(CBF)中，若各阵元输出端的信号都是同相的，相应的可产生一个增强的信号输出，若信号到达基阵各个阵元上是不同相的，在相应的信号输出被减弱，阵元上的附加噪声均由于其宽带而产生不相关的叠加。CBF的目的就是通过选取一个适当的加权向量以补偿各个阵元的传播延时，同时某一期望方向上到达基阵的信号再求和是同向的，进而在该方向上产生一个主瓣波束。
Capon于1969年提出了最小方差法(MVM)。MVM波束形成器具有较好的方位分辨力和较强的干扰抑制能力,但是轻微的误差都使其性能严重下降。要获得较高的性能，必须精确知道对应于感兴趣信号的基阵扫描向量和噪声场的时空统计特性。
传统的潜标水声处理软件主要存在以下几个方面的缺点：(1)信号处理能力受环境信噪比影响较大，由于水域中各种噪声较大，信噪比较低，探测距离比较近；(2)波束行程中计算集权向量时循环运算较多，运算时间长，实时性较差，也不能使用较复杂的波束形成算法；(3)对相干干扰存在下方位估计性能较差，缺乏抗相干干扰能力，在存在多径传播时性能严重下降，稳健性和指向性较差；(4)多波束波束形成需要较多计算量，不能实现预成较多波束，波束间方位角差值较大，方位估计误差较大，远距离下目标测向方位估计不准。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于低频圆环阵的目标方位估计方法，以解决背景技术中的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于低频圆环阵的目标方位估计方法，包括：
步骤1、12个阵元持续接收水声信号，ADC对接收的水声信号进行8192 点采样，并进行转置，得到实数样本序列；每个阵元的样本序列以8192点为一个帧，将每个帧数据存入SD卡的文件中，以60帧为一个周期，将60 帧数据累加，得到一个新的8192点数据，即将8192*60的数据加成8192 点数据；
步骤2、当帧计数到达60，对累加的数据做8192点的FFT运算得复数序列；将帧的计数置零，DDR里的AD数据置零，重新进入下一个周期；将 FFT结果里每个频率12个数据求平方和，得到8192点实数线谱能量值；判断前三个能量大的线谱频率f0,f1,f2，从FFT结果里找到3根线谱对应的 FFT变换；
步骤3、将12个阵元的每根线谱的FFT变换组合，然后按12个窄波束方向进行复数线性加权求和计算；其中，复数加权系数是事先存储，非实时计算，根据三个频率f0,f1,f2找到相应的三组加权系数；
步骤4、每根线谱计算得到12个窄波束的FFT输出，再计算FFT输出的幅度平方，即能量；最后比较每根线谱的12个窄波束输出能量的大小，找出最大能量，将其对应的窄波束入射方向作为信号入射方向；
步骤5、将得到的信号入射方向、最大能量及左右两侧波束的能量[θ (n-1),Y(n-1)]，[θ(n),Y(n)]，[θ(n+1),Y(n+1)]带入比幅法测向公式，求出精确的方向；
步骤6、宽带波束形成频段是[100-200]Hz；读取前面AD数据FFT结果，从中找到100根线谱对应的FFT变换；将12个阵元的每根线谱的FFT 变换组合，然后按36个窄波束方向进行复数线性加权求和计算；其中，复数加权系数是事先存储，采用对角加载加权向量；
步骤7、每根线谱计算得到36个窄波束的FFT输出，再计算FFT输出的幅度平方，即能量；再将100根线谱的能量按窄波束序号相应叠加，作为宽波束能量；
步骤8、将得到的信号入射方向、最大能量及左右两侧波束的能量[θ (n-1),Y(n-1)]，[θ(n),Y(n)]，[θ(n+1),Y(n+1)]带入比幅法测向公式，求出精确的信号入射方向；利用串口发送数据，设置罗经数据，读取罗经输出方位角；需要事先存储波束对应信号入射方位角参数，将波束形成方位值与罗经输出方位角相减，得到相对真北方向的方位角；
步骤9、最后将信号能量、方位角发送到PL端，更新PL端缓存，等串口接收到发送数据的指令，将频率端缓存里的数据发送出去；接收上位机指令，将需要的信号存储进SD卡。
在本发明具有以下有益效果：
(1)通过时域信号积分，使信号相干叠加，而噪声能量因其宽带特性不会相干增加，提高信号的信噪比，在后面的波束形成算法里使用稳健性较好的算法，在保证稳健性的条件下，提高了检测距离；
(2)提前存储权值向量，降低了软件的复杂程度，降低了软件运算周期，提高了检测效率和实时性；
(3)针对相干信号抵消现象，采用注入人为噪声的方法，即通常说的对角加载技术；采用对角加载加权系数能在保证MVM方法高增益的情况下大幅提高波束波束形成的稳健性；
(4)使用比幅法测向方法，通过将波束能量曲线拟合成二次曲线，求出信号来波方向的精确值，提高了目标测向的精度。由于在一定范围内等效波束主瓣曲线和二次曲线非常相似，所以在允许的误差程度内，可以通过把波束输出最大值以及与其相邻两个值拟合为二次曲线，并确定二次曲线的最大值所对应方向来估计宽带信号的入射角度。
附图说明
图1是波束形成原理框图示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于低频圆环阵的目标方位估计方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明应用于低频声纳潜标，声纳潜标分为两部分，一部分是低频圆环阵，圆环阵由12个阵元组成，基阵半径一米，12元水听器接收20Hz-5kHz 的水声信号；另一部分为处理电路，ADC将模拟信号转换成数字信号，对 AD信号进行频谱分析、波束形成、方位估计得到信号目标方向，接收串口的指令将波束形成结果输出。同时将AD采集的原始数据通过DDR存储到大容量SD卡。
目标方位估计是将空间中的宽带信号入射到预成多波束系统，基阵各波束均有信号输出，其中和入射角最接近的波束输出值最大。连接各波束输出的能量值可以得到等效波束图，波束能量最大的方向即为目标方向。
如图1所示，M个水听器构成接收基阵，对信号X0(t)～XM(t)分别是加权值各路求和得到基阵的输出y(t)。其输出是方位角的函数，通常情况也是时间的函数。
实施例一
本发明提供了一种基于低频圆环阵的目标方位估计方法，包括如下步骤：
12个阵元持续接收水声信号，ADC对12个振元接收的水声信号进行 8192点采样，并进行转置，得到实数样本序列，标记为如下形式：
阵元0：x0(0),x0(1),…,x0(n),…
阵元1：x1(0),x1(1),…,x1(n),…
Figure GDA0002966943450000041
阵元11：x11(0),x11(1),…,x11(n),…；
每个阵元的样本序列以8192点为一个帧，将每个帧数据存入SD卡的文件中，以60帧为一个周期，将60帧数据累加，得到一个新的8192点数据，即将8192*60的数据加成8192点数据：
阵元0：x0(0)+...+x0(8192*60)，x0(1)+...+x0(8192*60+1)，...，x0(n)+...+x0(8192*60+n)...
阵元1：x1(0)+...+x1(8192*60)，x1(1)+...+x1(8192*60+1)，...，x1(n)+...+x1(8192*60+n)...
Figure DEST_PATH_GDA0002908950890000041
阵元11：x11(0)+...+x11(8192*60)，x11(1)+...+x11(8192*60+1)，...，x11(n)+...+x11(8192*60+n)...
当帧计数到达60，对累加的数据做8192点的FFT运算，以第m周期个样本序列的FFT运算为例，做12次8192点的FFT运算可得复数序列；
阵元0：[X0(8192·m+0)，X0(8192·m+1)，…，X0(8192·m+8191)]
阵元1：[X1(8192·m+0)，X1(8192·m+1)，…，X1(8192·m+8191)]
Figure GDA0002966943450000055
阵元11：[X11(8192·m+0)，X11(8192·m+1)，…，X11(8192·m+8191)]
将帧的计数置零，DDR里的AD数据置零，重新进入下一个周期；将FFT 结果(即经过FFT运算得到的复数序列)里每个频率12个数据求平方和，得到8192点实数线谱能量值；复数序列的大小为12*8192.12对应12个通道，8192对应8192个频点。所以每个频点有12个通道的数据；将12个通道数据求和得到一个8192点的数列，代表每个频点的能量。
判断前三个能量大的线谱频率f0，f1，f2，从FFT结果里找到3根线谱对应的FFT变换，即：
阵元0：{X0(8192·m+k0)，X0(8192·m+k1)，X0(8192·m+k2)}
阵元1：{X1(8192·m+k0)，X1(8192·m+k1)，X1(8192·m+k2)}
Figure GDA0002966943450000056
阵元11：{X11(8192·m+k0)，X11(8192·m+k1)，X11(8192·m+k2)}
其中，
Figure GDA0002966943450000051
Figure GDA0002966943450000052
Figure GDA0002966943450000053
f0，f1，f2是
Figure GDA0002966943450000054
的整数倍，fs是采样频率。
将12个阵元的每根线谱的FFT变换组合，然后按12个窄波束方向进行复数线性加权求和计算；
组合：
线谱0：[X0(8192·m+k0),X1(8192·m+k0),…,X11(8192·m+k0)]12×1
线谱1：[X0(8192·m+k1),X1(8192·m+k1),…,X11(8192·m+k1)]12×1
线谱2：[X0(8192·m+k2),X1(8192·m+k2),…,X11(8192·m+k2)]12×1
线性加权：
窄波束0：
Figure GDA0002966943450000064
窄波束1：
Figure GDA0002966943450000065
窄波束11：
Figure GDA0002966943450000066
其中，复数加权系数是事先存储，不需要实时计算，根据三个频率 f0,f1,f2找到相应的三组加权系数，其存储结构为：
Figure GDA0002966943450000061
Figure GDA0002966943450000062
Figure GDA0002966943450000063
每根线谱计算得到12个窄波束的FFT输出，即：
线谱0：[Y0(0),Y0(1),…,Y0(11)]
线谱1：[Y1(0),Y1(1),…,Y1(11)]
线谱2：[Y2(0),Y2(1),…,Y2(11)]
再计算FFT输出的幅度平方，即能量：
线谱0：[Y0(0)·Y0(0)T,Y0(1)·Y0(1)T,…,Y0(11)·Y0(11)T]
线谱1：[Y1(0)·Y1(0)T,Y1(1)·Y1(1)T,…,Y1(11)·Y1(11)T]
线谱2：[Y2(0)·Y2(0)T,Y2(1)·Y2(1)T,…,Y2(11)·Y2(11)T]
最后比较每根线谱的12个窄波束输出能量的大小，找到最大能量，将其对应的窄波束入射方向作为信号入射方向：
线谱0：E0＝max{Y0(0)·Y0(0)T,Y0(1)·Y0(1)T,…,Y0(11)·Y0(11)T}
线谱1：E1＝max{Y1(0)·Y1(0)T,Y1(1)·Y1(1)T,…,Y1(11)·Y1(11)T}
线谱2：E2＝max{Y2(0)·Y2(0)T,Y2(1)·Y2(1)T,…,Y2(11)·Y2(11)T}
将得到的信号入射方向、最大能量及左右两侧波束的能量[θ (n-1),Y(n-1)]，[θ(n),Y(n)]，[θ(n+1),Y(n+1)]带入比幅法测向公式，求出精确的方向，因此，还需要事先存储窄波束对应信号入射方位角参数：
方位角：[θ(0),θ(1),…,θ(11)]T
宽带波束形成频段是[100-200]Hz；读取前面AD数据FFT结果，从中找到100根线谱对应的FFT变换，即：
阵元0：{X0,0(8192·m+k0,0),X0,0(8192·m+k0,1),…,X0,0(8192·m+k0,99)}
阵元1：{X0,1(8192·m+k0,0),X0,1(8192·m+k0,1),…,X0,1(8192·m+k0,99)}
Figure GDA0002966943450000075
阵元11：{X0,11(8912·m+k0,0),X0,11(8192·m+k0,1),…,X0,11(8192·m+k0,99)}
其中，
Figure GDA0002966943450000071
Figure GDA0002966943450000072
Figure GDA0002966943450000076
Figure GDA0002966943450000073
要求f0,0,f0,1,…,f0,99是
Figure GDA0002966943450000074
的整数倍，f0,s＝8192Hz；
实现中f0,0,f0,1,…,f0,99设置为从100Hz开始的以等间隔1Hz递增的线谱频率。
将12个阵元的每根线谱的FFT变换组合，然后按36个窄波束方向进行复数线性加权求和计算；
组合：
线谱0：[X0,0(8192·m+k0,0),X0,1(8192·m+k0,0),…,X0,11(8192·m+k0,0)]12×1
线谱1：[X0,0(8192·m+k0,1),X0,1(8192·m+k0,1),…,X0,11(8192·m+k0,1)]12×1
Figure GDA0002966943450000084
线谱99：[X0,0(8192·m+k0,99),X0,1(8192·m+k0,99),…,X0,11(8192·m+k0,99)]12×1
线性加权：
窄波束0：
Figure GDA0002966943450000088
窄波束1：
Figure GDA0002966943450000089
窄波束35：
Figure GDA00029669434500000810
其中，复数加权系数是事先存储，采用对角加载加权向量，为保证稳健性，加权系数不应太小，但加权系数过大有影响超指向性，故本发明针对的低频圆环阵波束形成加权向量对角加载量为0.1，加权向量不需要实时计算，其存储结构为：
Figure GDA0002966943450000081
Figure GDA0002966943450000082
Figure GDA0002966943450000083
每根线谱计算得到36个窄波束的FFT输出，即：
线谱0：[Y0,0(0),Y0,0(1),…,Y0,0(35)]
线谱1：[Y0,1(0),Y0,1(1),…,Y0,1(35)]
Figure GDA0002966943450000091
线谱99：[Y0,99(0),Y0,99(1),…,Y0,99(35)]
再计算FFT输出的幅度平方，即能量：
线谱0：[Y0,0(0)·Y0,0(0)T,Y0,0(1)·Y0,0(1)T,…,Y0,0(35)·Y0,0(35)T]
线谱1：[Y0,1(0)·Y0,1(0)T,Y0,1(1)·Y0,1(1)T,…,Y0,1(35)·Y0,1(35)T]
Figure GDA0002966943450000092
线谱99：[Y0,99(0)·Y0,99(0)T,Y0,99(1)·Y0,99(1)T,…,Y0,99(35)·Y0,99(35)T]
再将100根线谱的能量按窄波束序号相应叠加，作为宽波束能量。目前程序实现中认为100根线谱的能量一致，实际应该根据信号中的各线谱的能量进行加权系数的调整。
宽波束0：E0＝Y0,0(0)·Y0,0(0)T+Y0,1(0)·Y0,1(0)T+…Y0,99(0)·Y0,99(0)T
宽波束1：E1＝Y0,0(1)·Y0,0(1)T+Y0,1(1)·Y0,1(1)T+…+Y0,99(1)·Y0,99(1)T
Figure GDA0002966943450000093
宽波束35：E11＝Y0,0(35)·Y0,0(35)T+Y0,1(35)·Y0,1(35)T+…+Y0,99(35)·Y0,99(35)T
将得到的信号入射方向、最大能量及左右两侧波束的能量[θ (n-1),Y(n-1)]，[θ(n),Y(n)]，[θ(n+1),Y(n+1)]带入比幅法测向公式，求出精确的信号入射方向；
利用串口发送数据，设置罗经数据，读取罗经输出方位角；还需要事先存储波束对应信号入射方位角参数(各频段相同)，将波束形成方位值与罗经方位角相减，得到相对真北方向的方位角；
方位角：[θ(0),θ(1),…,θ(35)]T
最后将信号能量、方位角等信息发送到PL端，更新PL端缓存，等串口接收到发送数据的指令，将频率端缓存里的数据发送出去；接收上位机指令，将需要的信号存储进SD卡。其中，信号能量为前面的能量最强的波束能量值；方位角是这个波束对应的方位。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于低频圆环阵的目标方位估计方法，其特征在于，包括：
步骤1、12个阵元持续接收水声信号，ADC对接收的水声信号进行8192点采样，并进行转置，得到实数样本序列；每个阵元的样本序列以8192点为一个帧，将每个帧数据存入SD卡的文件中，以60帧为一个周期，将60帧数据累加，得到一个新的8192点数据，即将8192*60的数据加成8192点数据；
步骤2、当帧计数到达60，对累加的数据做8192点的FFT运算得复数序列；将帧的计数置零，DDR里的AD数据置零，重新进入下一个周期；将FFT结果里每个频率12个数据求平方和，得到8192点实数线谱能量值；判断前三个能量大的线谱频率f0,f1,f2，从FFT结果里找到3根线谱对应的FFT变换；
步骤3、将12个阵元的每根线谱的FFT变换组合，然后按12个窄波束方向进行复数线性加权求和计算；其中，复数加权系数是事先存储，非实时计算，根据三个频率f0,f1,f2找到相应的三组加权系数；
步骤4、每根线谱计算得到12个窄波束的FFT输出，再计算FFT输出的幅度平方，即能量；最后比较每根线谱的12个窄波束输出能量的大小，找出最大能量，将其对应的窄波束入射方向作为信号入射方向；
步骤5、将得到的信号入射方向、最大能量及左右两侧波束的能量[θ(n-1),Y(n-1)]，[θ(n),Y(n)]，[θ(n+1),Y(n+1)]带入比幅法测向公式，求出精确的方向；
步骤6、宽带波束形成频段是[100-200]Hz；读取前面AD数据FFT结果，从中找到100根线谱对应的FFT变换；将12个阵元的每根线谱的FFT变换组合，然后按36个窄波束方向进行复数线性加权求和计算；其中，复数加权系数是事先存储，采用对角加载加权向量；
步骤7、每根线谱计算得到36个窄波束的FFT输出，再计算FFT输出的幅度平方，即能量；再将100根线谱的能量按窄波束序号相应叠加，作为宽波束能量；
步骤8、将得到的信号入射方向、最大能量及左右两侧波束的能量[θ(n-1),Y(n-1)]，[θ(n),Y(n)]，[θ(n+1),Y(n+1)]带入比幅法测向公式，求出精确的信号入射方向；利用串口发送数据，设置罗经数据，读取罗经输出方位角；需要事先存储波束对应信号入射方位角参数，将波束形成方位值与罗经输出方位角相减，得到相对真北方向的方位角；
步骤9、最后将信号能量、方位角发送到PL端，更新PL端缓存，等串口接收到发送数据的指令，将频率端缓存里的数据发送出去；接收上位机指令，将需要的信号存储进SD卡。
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