CN113625222A - 一种基于时延差范数加权的宽带信号高分辨方位估计方法 - Google Patents

一种基于时延差范数加权的宽带信号高分辨方位估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于时延差范数加权的宽带信号高分辨方位估计方法，该方法通过对各子带进行波束形成估计信源方位，统计各子带的方位估计值计算得到时延差范数，以时延差范数对各子带波束输出功率进行加权，综合各子带的波束输出功率得到宽带信号的波束输出功率。本发明以宽带常规波束形成算法为基础，通过时延差范数加权实现宽带信号的高分辨方位估计，解决了现有宽带信号高分辨方位估计方法计算量大、算法复杂度高和稳健性差的问题，且可以分辨相干源。

Description

一种基于时延差范数加权的宽带信号高分辨方位估计方法
技术领域
本发明涉及宽带信号高分辨方位估计技术领域，特别是涉及一种基于时延差范数加权的宽带信号高分辨方位估计方法。
背景技术
宽带信号高分辨方位估计一直是阵列信号处理的热点和难点的问题，解决方法大体分为两类：非相干信号子空间算法(ISSM，Incoherent Signal Subspace Method)和相干信号子空间算法(CSSM，Coherent Signal Subspace Method)。非相干信号子空间算法(ISSM)将宽带信号在频域上进行分解，对分解后的各个窄带分量计算空间谱，之后对所有窄带分量的空间谱进行累加，得到宽带信号的空间谱，再进行方位估计。该方法计算量大，不能分辨相干源，在低信噪比条件下方位估计性能下降；相干信号子空间算法(CSSM，Coherent Signal Subspace Method)通过聚焦变换将宽带信号个频率分量聚焦到参考频率，在参考频率点计算窄带空间谱，之后进行方位估计。该方法可以分辨相干源，但在获取聚焦变换矩阵时，需要预估信号源的方位，且该预估值对最终的方位测量精度影响较大。对于阵元数较多的大型阵，采用上述两种方法实现宽带高分辨方位估计时，由于协方差矩阵的维数较高，计算量更大，通常的解决方法是将大型阵分解为若干个子阵，对每个子阵计算宽带信号空间谱，综合各子阵的结果实现大型阵的高分辨方位估计，但子阵处理损失了自由度，降低了空间分辨率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于时延差范数加权的宽带信号高分辨方位估计方法，该方法能够在保持阵处理自由度不变的情况下，实现宽带信号高分辨方位估计，并降低波束输出的旁瓣，提高方位估计的稳健性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于时延差范数加权的宽带信号高分辨方位估计方法，包括以下步骤：
步骤S1、获取宽带多途阵列接收信号；
步骤S2、对所述宽带多途阵列接收信号进行傅里叶变换，将所述宽带多途阵列接收信号分解为J个子带；
步骤S3、对每个子带的阵列接收信号进行波束形成，得到各个子带的波束输出功率，其中，第j个子带的波束输出功率为：
Pj(θ)＝aH(fj,θ)R(fj)a(fj,θ)，j＝1,2,…,J
公式中，Pj(θ)为第j个子带的波束输出功率，a(fj,θ)为第j个子带频率点fj处的导向向量，R(fj)＝X(fj)XH(fj)为频率点fj处的阵列信号协方差矩阵，X(fj)为阵列接收信号的离散傅里叶变换在频率点fj处的值，(·)H表示共轭转置，θ表示扫描方位。
步骤S4、求出各个子带的波束输出功率Pj(θ)最大值对应的方位θi,j，其中，i＝1,2,…,N，N为信源个数，j＝1,2,…,J；
步骤S5、统计各个子带以及不同信源的方位估计值θi,j，并计算各子带第i个信源信号到达相邻两个阵元的平均时延差
Figure BDA0003233374050000021
再根据该平均时延差
Figure BDA0003233374050000022
得到时延差范数δi，其中，所述时延差范数δi为：
Figure BDA0003233374050000023
i＝1,2,…,N
公式中，τ为相邻两个阵元的时延差，||·||表示取范数；
步骤S6、根据步骤S5中计算得到的所述时延差范数的倒数δi，对各个子带的波束输出功率进行加权，综合各子带的波束输出功率得到宽带信号的波束输出功率。
进一步的，在所述步骤S1中，所述宽带多途阵列接收信号的表达式为：
Figure BDA0003233374050000024
公式中，xm(t)为第m个阵元的宽带多途接收信号，si(t)为第i个信源发出的宽带信号，N为信源个数，
Figure BDA0003233374050000025
表示第m个阵元接收到的第i个信源发出的第l条声线相对于参考阵元的时延，用
Figure BDA0003233374050000026
表示第i个信源发出的第l条声线到达第m个阵元的幅度，Lmi表示第m个阵元接收到的第i个信源发出的声线数，nm(t)表示第m个阵元接收到的零均值高斯白噪声，M为接收阵元数。
进一步的，在所述步骤S4中，除多途相干源外，N个信源的信号频带有不重叠的子带；考虑信道的影响，多途信道的频率选择性使有些频点信号被加强，有些频点信号被削弱，影响相干源和非相干源在不同频带的方位估计结果。
本发明的有益效果是：
本发明以宽带常规波束形成算法为基础，利用不同信源信号频域上具有不重叠的子带，以及多途信道的频率选择性，通过时延差范数加权实现宽带信号的高分辨方位估计。相比于普通常规波束形成方法，本发明大幅度提高了方位分辨率，降低了波束输出旁瓣，有利于弱目标检测；相比于宽带高分辨方位估计方法，本发明不需要矩阵求逆和特征值分解运算，大大降低了计算量和算法复杂度，同时具有与常规波束形成方法相同的方位估计稳健性，且可以分辨相干源。
附图说明
图1为实施例1中的波束输出功率图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1，本实施例提供一种基于时延差范数加权的宽带信号高分辨方位估计方法，该方法通过对各子带进行波束形成估计信源方位，统计各子带的方位估计值计算得到相邻两个阵元的平均时延差，进而得到时延差范数，以时延差范数的倒数对各个子带的波束输出功率进行加权，综合各子带的波束输出功率得到宽带信号的波束输出功率。
具体的说，本实施例中提供的宽带信号高分辨方位估计方法，以宽带常规波束形成算法为基础，利用不同信源频域上具有不重叠的子带，以及多途传播信道的频率选择性，通过时延差范数加权实现宽带信号的高分辨方位估计，以解决现有宽带信号高分辨方位估计方法计算量大、算法复杂度高和稳健性差的问题。
具体的说，本实施例以一组待测多途宽带阵列接收信号测试计算为例，来更具体说明的说明本实施例提供的方法，包括：
步骤1，获取宽带多途阵列接收信号：采样频率为48kHz，快拍数1024；恒定声速声场，海水声速为1500m/s，海底介质声速为1800m/s，密度为1.6g/cm3，海面为真空，海深1000米，声源和接收线列阵深度为30米；两个远场非相干声源，频带分别为2000Hz-4000Hz和2500Hz-4500Hz，方位分别为54°和60°；均匀线列阵接收，阵元数35，阵元间距为0.5m；信噪比-10dB。用bellhop声场模型生成宽带多途阵列接收信号。
步骤2，对宽带阵列接收信号进行傅里叶变换，将宽带信号分解为J个子带。
步骤3，对每个子带的阵列接收信号进行波束形成，得到各个子带的波束输出功率。
步骤3中，第j个子带的波束输出功率为
Pj(θ)＝aH(fj,θ)R(fj)a(fj,θ) j＝1,2,…,J
其中，Pj(θ)为第j个子带的波束输出功率，a(fj,θ)为第j个子带频率点fj处的导向向量，R(fj)＝X(fj)XH(fj)为第j个自带频率点fj处的阵列信号协方差矩阵，X(fj)为阵列接收信号的离散傅里叶变换在第j个子带频率点fj处的值，(·)H表示共轭转置,θ表示扫描方位。
步骤4，求出各个子带波束输出功率Pj(θ)最大值对应的方位θi,j，i＝1,2,…,N，N为信源个数，j＝1,2,…,J。
步骤5，统计各个子带的方位估计值θi,j，并计算各子带第i个信源信号到达相邻两个阵元的平均时延差
Figure BDA0003233374050000041
进而得到时延差范数δi；
步骤5中，时延差范数为
Figure BDA0003233374050000042
i＝1,2,…,N，其中τ为相邻两个阵元的时延差，||·||表示取范数，对于均匀线列阵
Figure BDA0003233374050000043
Figure BDA0003233374050000044
其中，
Figure BDA0003233374050000045
为第i个信源信号各子带方位估计值θi,j统计平均值，d为阵元间距，c为声速，θ表示扫描方位。
步骤6，以时延差范数的倒数对各个子带的波束输出功率进行加权，综合各子带的波束输出功率得到宽带信号的波束输出功率。
更具体的说，在步骤4中，考虑信道的影响，多途信道的频率选择性使有些频点信号被加强，有些频点信号被削弱，影响相干源和非相干源在不同频带的方位估计结果。
更具体的说，在图1中，其中虚线为常规波束形成方法计算得到的不同方位的波束输出功率，由于两个宽带信源的方位间隔较小，为6度，常规波束形成方法无法正确分辨两个信源；实线为本实施例提供的方法计算得到的不同方位的宽带波束输出功率，能够正确分辨间隔为6度的两个信源，且波束输出功率旁瓣较低，在-60dB以下，有利于弱目标的探测。
综上所述，本实施例中提供的一种基于时延差范数加权的宽带信号高分辨方位估计方法，该方法以宽带常规波束形成算法为基础，利用不同信源信号频域上具有不重叠的子带，以及多途信道的频率选择性，通过时延差范数加权实现宽带信号的高分辨方位估计。
相比于普通常规波束形成方法，本实施例中提供的方法大幅度提高了方位分辨率，降低了波束输出旁瓣，有利于弱目标检测。
相比于宽带高分辨方位估计方法，本实施例中提供的方法不需要矩阵求逆和特征值分解运算，大大降低了计算量和算法复杂度，同时具有与常规波束形成方法相同的方位估计稳健性，且可以分辨相干源。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于时延差范数加权的宽带信号高分辨方位估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、获取宽带多途阵列接收信号；
步骤S2、对所述宽带多途阵列接收信号进行傅里叶变换，将所述宽带多途阵列接收信号分解为J个子带；
步骤S3、对每个子带的阵列接收信号进行波束形成，得到各个子带的波束输出功率，其中，第j个子带的波束输出功率为：
Pj(θ)＝aH(fj,θ)R(fj)a(fj,θ)，j＝1,2,…,J
公式中，Pj(θ)为第j个子带的波束输出功率，a(fj,θ)为第j个子带频率点fj处的导向向量，R(fj)＝X(fj)XH(fj)为频率点fj处的阵列信号协方差矩阵，X(fj)为阵列接收信号的离散傅里叶变换在频率点fj处的值，(·)H表示共轭转置，θ表示扫描方位；
步骤S4、求出各个子带的波束输出功率Pj(θ)最大值对应的方位θi,j，其中，i＝1,2,…,N，N为信源个数，j＝1,2,…,J；
步骤S5、统计各个子带以及不同信源的方位估计值θi,j，并计算各子带第i个信源信号到达相邻两个阵元的平均时延差
Figure FDA0003233374040000011
再根据该平均时延差
Figure FDA0003233374040000012
得到时延差范数δi，其中，所述时延差范数δi为：
Figure FDA0003233374040000013
公式中，τ为相邻两个阵元的时延差，||·||表示取范数；
步骤S6、根据步骤S5中计算得到的所述时延差范数的倒数δi，对各个子带的波束输出功率进行加权，综合各子带的波束输出功率得到宽带信号的波束输出功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于时延差范数加权的宽带信号高分辨方位估计方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述宽带多途阵列接收信号的表达式为：
Figure FDA0003233374040000014
公式中，xm(t)为第m个阵元的宽带多途接收信号，si(t)为第i个信源发出的宽带信号，N为信源个数，
Figure FDA0003233374040000021
表示第m个阵元接收到的第i个信源发出的第l条声线相对于参考阵元的时延，用
Figure FDA0003233374040000022
表示第i个信源发出的第l条声线到达第m个阵元的幅度，Lmi表示第m个阵元接收到的第i个信源发出的声线数，nm(t)表示第m个阵元接收到的零均值高斯白噪声，M为接收阵元数。
3.根据权利要求1所述的一种基于时延差范数加权的宽带信号高分辨方位估计方法，其特征在于，所述步骤S4中，除多途相干源外，N个信源的信号频带有不重叠的子带；考虑信道的影响，多途信道的频率选择性使有些频点信号被加强，有些频点信号被削弱，影响相干源和非相干源在不同频带的方位估计结果。
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