KR20200059574A - Method for processing the signal for an adaptive beamformer using sub-band steering covariance matrix - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a signal processing method of an adaptive beamformer. More specifically, when calculating the beam output using sensor data in an underwater detection device such as a sonar, by calculating narrowband and wideband beam outputs using the sub-band steering covariance matrix, a problem of singular matrix occurrence due to frequency dependency elimination and inverse matrix operation is solved so that the orientation resolution of the adaptive beamformer can be improved.

Description

부대역 조향 공분산 행렬을 이용한 적응형 빔형성기의 신호처리방법{Method for processing the signal for an adaptive beamformer using sub-band steering covariance matrix}Method of processing the signal for an adaptive beamformer using sub-band steering covariance matrix}

본 발명은 적응형 빔형성기의 신호처리방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 소나와 같은 수중 탐지장치에서 센서 데이터를 이용하여 빔출력을 계산할 경우, 부대역 조향 공분산 행렬을 이용하여 협대역 및 광대역 빔출력을 계산함으로써, 주파수 의존성 제거 및 역행렬 연산에 따른 특이 행렬 발생 문제를 해소하여 적응형 빔형성기의 방위분해능을 향상시킬 수 있는 신호 처리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a signal processing method of an adaptive beamformer, and more specifically, when calculating the beam output using sensor data in an underwater detection device such as a sonar, narrowband and wideband using a subband steering covariance matrix By calculating the beam output, it relates to a signal processing method capable of improving the azimuth resolution of the adaptive beamformer by removing the frequency dependency and solving the problem of generating a singular matrix due to inverse matrix calculation.

일반적으로, 소나(SONAR: Sound Navigation And Ranging)는 수중에 있는 표적의 위치를 탐지하기 위하여 음파를 사용하며, 수중에 존재하는 표적으로부터 방사되는 소음을 탐지하거나, 음파펄스를 송신하여 임의 거리에 있는 표적으로부터 반사되어 되돌아오는 신호를 수신하고 분석함으로써 표적을 탐지하는 기능을 한다.Generally, SONAR (Sound Navigation And Ranging) uses sound waves to detect the position of a target in the water, and detects noise emitted from a target present in the water, or transmits a sound wave pulse to be located at a certain distance. It functions to detect the target by receiving and analyzing the signal reflected from the target and returning.

이러한 소나는 연속된 시간으로부터 여러 개의 음향센서에 수신된 음파를 가지고 빔형성 기법을 수행하여 표적의 방위 추정 및 탐지에 이용한다.These sonars are used for estimating and detecting a target's orientation by performing beamforming techniques with sound waves received from multiple acoustic sensors from a continuous time.

상기의 빔형성(Beamforming)은 안테나에서 수신된 에너지를 특정 방향을 따라 집중시키는 구현방식으로서, 전방향의 빔을 이용하는 기존 안테나 대신 해당 방향으로 지향성의 빔을 방사함으로써 신호간섭의 영향을 최소화하여 통신 품질과 시스템 채널 용량을 높이는 기술이다.The above beamforming is an implementation method in which energy received from an antenna is concentrated along a specific direction, and communication by minimizing the effect of signal interference by radiating a directional beam in a corresponding direction instead of an existing antenna using an omnidirectional beam It is a technology to increase quality and system channel capacity.

이러한 빔형성을 이용하는 소나는 수중의 표적이 정지해 있을 때 최상의 탐지 성능을 유지할 수 있으나, 실제로는 소나의 탐지 대상이 되는 수중의 표적은 대부분 이동중에 탐지되기 때문에 소나의 탐지 성능을 최상으로 유지하기 어렵게 된다.The sonar using this beamforming can maintain the best detection performance when the underwater target is stationary, but in reality, most of the underwater targets, which are the targets of the sonar detection, are detected while moving, so the sonar detection performance is best maintained. It becomes difficult.

즉, 표적이 이동하면 소나의 빔형성 출력 신호의 크기가 저하되고 인접 방위의 빔에 표적의 에너지가 퍼지게 됨으로써, 결과적으로 탐지와 위치 추적 성능이 저하되고 인접한 표적의 분리 탐지가 어려워지게 된다.That is, when the target moves, the size of the beamforming output signal of the sonar decreases and the energy of the target spreads to the beam of the adjacent direction, resulting in deterioration of detection and position tracking performance and difficulty in separating and detecting adjacent targets.

일반적으로, 소나 시스템은 도 1 에 도시된 바와 같이, 수신된 신호로부터 표적의 방위, 거리, 수심 등을 탐지할 수 있도록, 다수개의 음향센서(array)(10), 신호수신처리기(11), 빔형성기(12)와 탐지기(13)로 구성된다.In general, the sonar system, as shown in Figure 1, a plurality of acoustic sensors (array) 10, the signal receiving processor 11, so as to be able to detect the orientation, distance, depth, etc. of the target from the received signal, It consists of a beamformer 12 and a detector 13.

이때, 수중 표적과 각각의 음향센서(10) 사이의 수평거리가 다르므로 수신된 표적의 신호는 진행거리의 차만큼의 시간차가 발생하게 된다. 그리고 표적에서 방사된 신호는 각 신호수신처리기(11)에 동일한 파형으로 시간차를 두고 수신되며, 빔형성기(12)는 센서에 수신된 신호들의 도달 시간차를 계산하여 보정시키는 빔형성을 수행하여 센서출력 파워의 합을 극대화시키고, 탐지기(13)는 표적의 방위, 거리, 수심을 탐지하게 된다.At this time, since the horizontal distance between the underwater target and each acoustic sensor 10 is different, a time difference corresponding to the difference of the traveling distance occurs in the signal of the received target. Then, the signal emitted from the target is received at a time difference in the same waveform to each signal receiving processor 11, and the beamformer 12 performs beamforming to calculate and correct the arrival time difference of the signals received by the sensor, thereby outputting the sensor. Maximizing the sum of power, the detector 13 detects the target's bearing, distance, and depth.

도 2 는 이러한 소나 시스템에서의 빔형성에 대한 개념도로서, 소나 시스템의 빔형성은 각각의 음향센서(21)로부터 θs 방위에서 표적신호를 수신하여 주파수 성분(x(ω),22)을 추출할 수 있으며, 각 센서 신호에 적절한 가중값(23)을 첨가하여 합(24)을 도출하여 빔형성을 수행한다.FIG. 2 is a conceptual diagram for beamforming in such a sonar system, in which beamforming of the sonar system receives target signals at θs azimuth from each acoustic sensor 21 to extract frequency components (x (ω), 22). Beam summing is performed by deriving the sum 24 by adding an appropriate weighting value 23 to each sensor signal.

이러한 빔형성 수행 시, 동종 주파수 빔형성 기법을 이용한다. 즉, 각각의 신호 단편의 공분산 행렬을 구하여 동일한 주파수 성분을 모아서 평균값을 추출하는 기법으로서, 예를 들어, M 번째 센서에 수신된 N 개의 신호 단편에서 동일한 주파수 ω0 에 해당하는 성분을 추출하여 공분산 행렬을 추정하여 빔형성을 수행하는 것이다.When performing such beamforming, a homogeneous frequency beamforming technique is used. That is, as a technique of obtaining the average value by collecting the same frequency components by obtaining the covariance matrix of each signal fragment, for example, extracting the components corresponding to the same frequency ω0 from the N signal fragments received by the M-th sensor, and then covariance matrix It is to estimate the beamforming.

상기 공분산(共分散,covariance)이란 2개의 확률변수의 상관정도를 나타내는 값으로서, 1개의 변수의 이산정도를 나타내는 분산과는 별개의 개념이다. 만일 2개의 변수중 하나의 값이 상승하는 경향을 보일 때, 다른 값도 상승하는 경향의 상관관계에 있다면, 공분산의 값은 양수가 되고, 반대로 2 개의 변수중 하나의 값이 상승하는 경향을 보일 때, 다른 값이 하강하는 경향을 보인다면 공분산의 값은 음수가 된다. 이러한 공분산은 상관관계의 상승 혹은 하강하는 경향을 이해할 수 있는 값이다.The covariance is a value indicating the degree of correlation between two random variables, and is a concept different from the variance indicating the degree of dispersion of one variable. If the value of one of the two variables tends to rise, and the other value is also correlated with the tendency to rise, the value of the covariance becomes positive, and conversely, the value of one of the two variables tends to increase. When the other values tend to fall, the value of the covariance becomes negative. This covariance is a value to understand the tendency of the correlation to rise or fall.

한편, 상기 빔형성기로서, 적응형 빔형성기(adaptive beamformer)의 일종으로 STMV(steered minimum variance) 빔형성기가 공지되어 있다. 이러한 STMV 빔형성기는 신호단편을 이용하여 공분산 행렬의 역행렬 연산을 수행할 때 특이 행렬이 발생하는 문제점을 해소할 수 있도록 공분산 행렬을 조향하여 주파수 의존성을 제거함으로써 모든 주파수에 대한 공분산 행렬을 평균하여 공분산 행렬의 역행렬 연산시 특이 행렬 문제를 해결한 빔형성기이다.On the other hand, as the beamformer, an STMV (steered minimum variance) beamformer is known as a type of adaptive beamformer. The STMV beamformer steers the covariance matrix to eliminate the frequency dependency by steering the covariance matrix so as to solve the problem that a singular matrix occurs when performing the inverse matrix operation of the covariance matrix using a signal fragment, and averages the covariance matrices for all frequencies. It is a beamformer that solves the singular matrix problem when calculating the matrix inverse matrix.

그러나 이러한 STMV 빔형성기 역시 주파수 의존성을 더욱 감소시켜 방위분해능을 보다 향상시킬 방법이 지속적으로 요구되고 있다.However, such a STMV beamformer is also continuously required a method to further improve the orientation resolution by further reducing the frequency dependence.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 창안된 것으로서, 적응형 빔형성기인 STMV 빔형성기의 방위 분해능을 향상시킬 수 있는 부대역 조향 공분산 행렬을 이용한 적응형 빔형성기의 신호처리방법을 제공한다.The present invention was devised to solve the above-mentioned problems as described above, and the signal processing method of the adaptive beamformer using a subband steering covariance matrix capable of improving the orientation resolution of the STMV beamformer, an adaptive beamformer. Gives

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 구성은 부대역 조향 공분산 행렬을 이용하여 협대역 및 광대역 빔출력을 계산함으로써, 주파수 의존성 제거 및 역행렬 연산에 따른 특이 행렬 발생 문제를 해소한 신호 처리 방법의 구성을 특징으로 한다.The configuration of the present invention for achieving the above technical problem is to calculate a narrowband and a wideband beam output using a subband steering covariance matrix, thereby eliminating a frequency dependency and solving a singular matrix generation problem due to inverse matrix calculation. Characterized by the configuration.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 부대역 조향 공분산 행렬을 이용한 적응형 빔형성기의 신호처리방법은 부대역 조향 공분산 행렬을 이용하여 협대역 및 광대역 빔출력을 계산하는 구성을 제공함으로써, 주파수 의존성 제거 및 역행렬 연산에 따른 특이 행렬 발생 문제를 해소하여 적응형 빔형성기의 방위분해능을 향상시킨 효과를 발현한다.The signal processing method of the adaptive beamformer using the subband steering covariance matrix of the present invention having the above configuration provides a configuration for calculating narrowband and wideband beam output using the subband steering covariance matrix, thereby eliminating frequency dependency. And solving the problem of generating a singular matrix due to inverse matrix calculation, thereby improving the azimuth resolution of the adaptive beamformer.

도 1 은 일반적인 소나 시스템의 구성도.
도 2 는 소나 시스템의 빔형성의 개념도.
도 3 은 본 발명의 적응형 빔형성기의 신호처리방법의 순서도.
1 is a block diagram of a typical sonar system.
2 is a conceptual diagram of beamforming of a sonar system.
3 is a flowchart of a signal processing method of the adaptive beamformer of the present invention.

이하, 첨부 도면에 의거하여 본 발명의 부대역 조향 공분산 행렬을 이용한 적응형 빔형성기의 신호처리방법을 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the signal processing method of the adaptive beamformer using the subband steering covariance matrix of the present invention will be described in detail based on the accompanying drawings.

단, 개시된 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분하게 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 태양으로 구체화될 수도 있다.However, the disclosed drawings are provided as examples for sufficiently conveying the spirit of the present invention to those skilled in the art. Therefore, the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in other aspects.

또한, 본 발명 명세서에서 사용되는 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.In addition, unless otherwise defined in terms used in the specification of the present invention, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains have the meanings commonly understood, and the subject matter of the present invention in the following description and the accompanying drawings Detailed descriptions of well-known functions and configurations that may be unnecessarily obscured are omitted.

본 발명의 부대역 조향 공분산 행렬을 이용한 적응형 빔형성기의 신호처리방법은, 종래 STMV 빔형성기의 가중벡터를 구할 때 전 주파수 대역을 사용하는 것과 달리, 부대역 주파수별 조향 공분산 행렬을 추정하여 협대역 및 광대역 빔출력을 계산함으로써, 주파수 의존성을 감소시켜 방위분해능을 향상시킨 것이다.The signal processing method of the adaptive beamformer using the subband steering covariance matrix of the present invention, unlike using the entire frequency band when obtaining the weight vector of the conventional STMV beamformer, estimates the steering covariance matrix for each subband frequency and negotiates By calculating the band and broadband beam output, the frequency dependence is reduced to improve the azimuth resolution.

이하, 상기와 같은 본 발명의 적응형 빔형성기의 신호처리방법을 도 3 의 본 발명의 순서도를 참조하여 개조식으로 상세하게 설명한다.Hereinafter, the signal processing method of the adaptive beamformer of the present invention will be described in detail with reference to the flowchart of the present invention in FIG.

하기 기술될 본 발명의 적응형 빔형성기의 신호처리방법은, 소나 시스템과 같이 수신된 신호로부터 표적의 방위, 거리, 수심 등을 탐지할 수 있도록 구성된 신호처리시스템에 의하여 수행된다. The signal processing method of the adaptive beamformer of the present invention to be described below is performed by a signal processing system configured to detect a target's azimuth, distance, and depth from a received signal, such as a sonar system.

1) 센서데이터 FFT 단계(S1)1) Sensor data FFT step (S1)

소나 시스템의 각각의 음향센서로부터 일정한 방위에서 음원의 표적신호를 수신하고, 표적신호의 진폭 데이터를 FFT(Fast Fourier Transform, 푸리에 변환)을 수행하여 주파수 데이터로 변환하는 단계이다.This is a step of receiving the target signal of the sound source from each acoustic sensor of the sonar system at a certain direction, and converting the amplitude data of the target signal into frequency data by performing Fast Fourier Transform (FFT).

이어서, 주파수 데이터로 변환된 각각의 신호 단편간의 공분산 행렬을 계산하되, 다음의 수학식 1을 이용하여 공분산 행렬을 계산한다.Next, a covariance matrix between each signal fragment converted into frequency data is calculated, and a covariance matrix is calculated using Equation 1 below.

Figure pat00001
Figure pat00001

- K: 공분산행렬-K: Covariance matrix

- p(f): 신호단편의 주파수데이터-p (f): Frequency data of signal fragment

- pH(f): 신호단편의 주파수데이터의 허미션(hermitian)-p H (f): Hermitian of the frequency data of the signal fragment

상술한 바와 같은 공분산 행렬의 계산과 빔형성은 전술한 바 있는 공지의 동종 주파수 빔형성 기법을 이용하여 수행될 수 있다. 즉, 도 2 에 도시된 바와 같이, M 번째 센서에 수신된 N 개의 신호 단편에서 동일한 주파수 ω0 에 해당하는 성분을 추출하여 공분산 행렬을 계산할 수 있다.The calculation and beamforming of the covariance matrix as described above can be performed using the known homogeneous frequency beamforming technique described above. That is, as illustrated in FIG. 2, a covariance matrix may be calculated by extracting components corresponding to the same frequency ω0 from N signal fragments received by the M-th sensor.

2) 선조향 단계(S2)2) Pre-steering stage (S2)

다음으로, 부대역별 조향 공분산 행렬 추정을 수행하기 위하여, 선조향 단계를 실시한다.Next, in order to perform steering covariance matrix estimation for each subband, a pre-steering step is performed.

구체적으로, 상기 S1 단계를 수행하여 변환된 주파수 데이터를 각 주파수별로 미리 가정한 조향각으로 선조향(pre-steering)하여 선조향 주파수 데이터를 산출하며, 하기의 수학식 2를 이용한다.Specifically, the S1 step is performed to pre-steering the converted frequency data at a steering angle pre-assumed for each frequency to calculate the line steering frequency data, and Equation 2 below is used.

Figure pat00002
Figure pat00002

- WM: 시간지연 벡터-W M : Time delay vector

- ω: 각주파수-ω: Angular frequency

- θ: 조향각도-θ: steering angle

- T; 전치행렬-T; Transposition matrix

- S: 음속의 역수-S: reciprocal of sound speed

- Z: 첫번째 수신기로부터 해당 수신기까지의 거리-Z: Distance from the first receiver to the receiver

3) 부대역 분할 단계(S3)3) Sub-band division step (S3)

상기 S2 단계를 수행하여 산출된 선조향 주파수 데이터를 각 주파수별로 분할하여 부대역 행렬을 산출하며, 하기의 수학식 3을 이용한다. The sub-steering frequency data calculated by performing the step S2 is divided for each frequency to calculate a subband matrix, and Equation 3 below is used.

Figure pat00003
Figure pat00003

- D: 선조향 행렬-D: Line steering matrix

- ω: 각주파수-ω: Angular frequency

- θ: 조향각도-θ: steering angle

- W: 시간지연 항-W: Time delay term

4) 부대역별 조향 공분산행렬 추정 단계(S4)4) Steering covariance matrix estimation step by sub-station (S4)

상기 S3 단계를 수행하여 산출된 부대역 행렬을 이용하여 부대역별 조향 공분산행렬을 추정하며, 하기의 수학식 4를 이용한다.The steering covariance matrix for each subband is estimated by using the subband matrix calculated by performing step S3, and Equation 4 below is used.

Figure pat00004
Figure pat00004

- KstmvSub: 부대역별 조향공분산행렬-K stmvSub : Steering covariance matrix by sub-station

- ω: 각주파수-ω: Angular frequency

- θ: 조향각도-θ: steering angle

- n: 1,2,.....,N-n: 1,2, ....., N

- N: 부대역 수-N: Number of sub-stations

- B: 부대역의 주파수 빈수-B: Frequency frequency of sub-bands

- DH: 부대역 행렬의 허미션(hermitian)-D H : Hermitian of subband matrix

- K: 조향공분산행렬-K: steering covariance matrix

- D: 선조향 행렬-D: Line steering matrix

5) 부대역별 적응 가중벡터 계산 단계(S5)5) Adaptive weight vector calculation step for each sub-band (S5)

상기 S4 단계를 수행하여 추정된 부대역별 조향 공분산행렬을 이용하여 부대역별 적응 가중벡터를 계산하는 단계이며, 하기의 수학식 5를 이용한다.Step S4 is a step of calculating an adaptive weight vector for each sub-band using the estimated steering covariance matrix for each sub-band, and using Equation 5 below.

Figure pat00005
Figure pat00005

- WstmvSub: 부대역별 적응 가중벡터-W stmvSub : Adaptive weight vector by sub-station

- ω: 각주파수-ω: Angular frequency

- θ: 조향각도-θ: steering angle

- n: 1,2,.....,N-n: 1,2, ....., N

- KstmvSub: 부대역별 조향공분산행렬-K stmvSub : Steering covariance matrix by sub-station

- M: 1,2,.....,M-M: 1,2, ....., M

6) 협대역 빔출력 계산 단계(S6)6) Narrow band beam output calculation step (S6)

상기 S5 단계를 수행하여 계산된 부대역별 적응 가중벡터를 이용하여 협대역 빔출력을 계산하는 단계이며, 하기의 수학식 6을 이용한다.The step S5 is a step of calculating a narrowband beam output using an adaptive weight vector for each subband calculated by using the step S5, and Equation 6 below is used.

Figure pat00006
Figure pat00006

- P: 협대역 빔출력-P: narrowband beam output

- ω: 각주파수-ω: Angular frequency

- θ: 조향각도-θ: steering angle

- WstmvSub: 부대역별 적응 가중벡터-W stmvSub : Adaptive weight vector by sub-station

- DH: 선조향 행렬의 허미션(hermitian)-D H : Hermitian of the line steering matrix

- K: 조향공분산행렬-K: steering covariance matrix

- D: 선조향 행렬-D: Line steering matrix

7) 광대역 빔출력 계산 단계(S7)7) Broadband beam output calculation step (S7)

상기 S6 단계를 수행하여 계산된 협대역 빔출력을 모두 합산하여 광대역 빔출력을 계산하는 단계이다.It is a step of calculating the broadband beam output by summing all the narrow-band beam outputs calculated by performing step S6.

따라서 상기와 같은 단계로 구성되는 본 발명의 부대역 조향 공분산 행렬을 이용한 적응형 빔형성기의 신호처리방법은 부대역 조향 공분산 행렬을 이용하여 협대역 및 광대역 빔출력을 계산하는 구성을 가짐으로써, 주파수 의존성 제거 및 역행렬 연산에 따른 특이 행렬 발생 문제를 해소하여 적응형 빔형성기의 방위분해능을 향상시킨 효과를 수득하게 되었다.Therefore, the signal processing method of the adaptive beamformer using the sub-band steering covariance matrix of the present invention, which is composed of the above steps, has a configuration that calculates the narrow-band and wide-band beam output using the sub-band steering covariance matrix. By solving the problem of occurrence of singular matrices due to the elimination of dependencies and the inverse matrix operation, an effect of improving the orientation resolution of the adaptive beamformer was obtained.

하기는 상술한 바와 같은 본 발명의 적응형 빔형성기의 신호처리방법을 수행하는 컴퓨터 프로그램의 소스 코드의 일례를 나타낸다.The following shows an example of the source code of a computer program that performs the signal processing method of the adaptive beamformer of the present invention as described above.

하기의 표 1의 소스 코드는 상기 센서데이터 FFT 단계(S1)의 FFT 단계 및 공분산 행렬을 계산을 수행하는 컴퓨터 프로그램의 소스 코드의 일례이다.The source code of Table 1 below is an example of the source code of a computer program that performs calculation of the FFT step and the covariance matrix of the sensor data FFT step (S1).

clearvars; clc;

Src;

%
% (1) fft
%

delf = fs/nfft;
freqX=0:delf:delf*nfft/2;

CSDM_vec=zeros(N_snapshot,N_array,nfft/2);
for i_snapshot=1:N_snapshot
i_start=overlap*nfft*(i_snapshot-1)+1;
i_end=i_start+nfft-1;
disp(['i_start: ' num2str(i_start) ' / i_start: ' num2str(i_end) ' / ' num2str(i_snapshot)])
e_n_snap=e_n(:,i_start:i_end);
for nn=1:N_array
e_n_snap(nn,:)=e_n_snap(nn,:).*w_t.';
end

clear n_temp;

e_n_fft=fft(e_n_snap',nfft)/nfft*2;
for ll=1:(nfft/2)

CSDM_vec(i_snapshot,:,ll)=e_n_fft(ll,:);
end
end

%
% (2) 공분산 행렬 계산
%

CSDM = zeros(N_array,N_array,nfft/2);

for II = 1:nfft/2
for nn = 1:N_snapshot
CSDM(:,:,II) = CSDM(:,:,II)+CSDM_vec(nn,:,II)'*CSDM_vec(nn,:,II); 수학식 1 에 해당
end
CSDM(:,:,II) = CSDM(:,:,II) / N_snapshot;
end

t_heta = -90:90;
t_heta = t_heta*pi/180;
B_m = [ cos(t_heta') sin(t_heta') ]; % x, y position

BAND_INTV = (N_array*3);
CSDM_STMV = zeros(N_array,N_array,length(t_heta),BAND_INTV);
nBandidx = 1;
clearvars; clc;

Src;

%
% (1) fft
%

delf = fs / nfft;
freqX = 0: delf: delf * nfft / 2;

CSDM_vec = zeros (N_snapshot, N_array, nfft / 2);
for i_snapshot = 1: N_snapshot
i_start = overlap * nfft * (i_snapshot-1) +1;
i_end = i_start + nfft-1;
disp (['i_start:' num2str (i_start) '/ i_start:' num2str (i_end) '/' num2str (i_snapshot)])
e_n_snap = e_n (:, i_start: i_end);
for nn = 1: N_array
e_n_snap (nn,:) = e_n_snap (nn,:). * w_t. ';
end

clear n_temp;

e_n_fft = fft (e_n_snap ', nfft) / nfft * 2;
for ll = 1: (nfft / 2)

CSDM_vec (i_snapshot,:, ll) = e_n_fft (ll, :);
end
end

%
% (2) Calculate covariance matrix
%

CSDM = zeros (N_array, N_array, nfft / 2);

for II = 1: nfft / 2
for nn = 1: N_snapshot
CSDM (:,:, II) = CSDM (:,:, II) + CSDM_vec (nn,:, II) '* CSDM_vec (nn,:, II); Equation 1
end
CSDM (:,:, II) = CSDM (:,:, II) / N_snapshot;
end

t_heta = -90: 90;
t_heta = t_heta * pi / 180;
B_m = [cos (t_heta ') sin (t_heta')]; % x, y position

BAND_INTV = (N_array * 3);
CSDM_STMV = zeros (N_array, N_array, length (t_heta), BAND_INTV);
nBandidx = 1;

또한, 하기의 표 2는 상기 선조향 단계(S2), 부대역 분할 단계(S3) 및 부대역별 조향 공분산행렬 추정 단계(S4)를 수행하는 컴퓨터 프로그램의 소스 코드의 일례이다.In addition, Table 2 below is an example of the source code of the computer program that performs the pre-steering step (S2), the sub-band dividing step (S3), and the steering covariance matrix estimation step (S4) for each sub-band.

%
% (3) 선조향, 부대역 분할 및 부대역별 조향 공분산행렬 추정
%


for II = 1:nfft/2
disp(['' num2str(II) ' / ' num2str(nfft/2) ''] )
if (II > (nBandidx) * BAND_INTV) && (nBandidx < BAND_INTV);
nBandidx = nBandidx + 1;
end
for m=1:length(t_heta)
time_delay_steering=-E_n*B_m(m,:)'/sound_speed;
phase_steering1=2*pi*freqX(II)*time_delay_steering;
w_rep1=w_a.*exp(-i*phase_steering1);수학식 2 에 해당
diag_w1 = diag(w_rep1);수학식 3 에 해당
CSDM_STMV_temp = diag_w1' * CSDM(:,:,II) * diag_w1; 수학식 4 에 해당
CSDM_STMV(:,:,m,nBandidx) = CSDM_STMV(:,:,m,nBandidx) + CSDM_STMV_temp; 수학식 4 에 해당
end
end
%
% (3) Pre-steering, sub-band division and steering covariance matrix estimation by sub-band
%


for II = 1: nfft / 2
disp (['' num2str (II) '/' num2str (nfft / 2) ''])
if (II> (nBandidx) * BAND_INTV) && (nBandidx <BAND_INTV);
nBandidx = nBandidx + 1;
end
for m = 1: length (t_heta)
time_delay_steering = -E_n * B_m (m,:) '/ sound_speed;
phase_steering1 = 2 * pi * freqX (II) * time_delay_steering;
w_rep1 = w_a. * exp (-i * phase_steering1); Equation 2
diag_w1 = diag (w_rep1); Equation 3
CSDM_STMV_temp = diag_w1 '* CSDM (:,:, II) * diag_w1; Equation 4
CSDM_STMV (:,:, m, nBandidx) = CSDM_STMV (:,:, m, nBandidx) + CSDM_STMV_temp; Equation 4
end
end

또한, 하기의 표 3은 상기 부대역별 적응 가중벡터 계산 단계(S5), 협대역 빔출력 계산 단계(S6) 및 광대역 빔출력 계산 단계(S7)를 수행하는 컴퓨터 프로그램의 소스코드의 일례이다.In addition, Table 3 below is an example of the source code of a computer program that performs the adaptive weight vector calculation step (S5), the narrowband beam output calculation step (S6), and the broadband beam output calculation step (S7) for each subband.

%
% (4) 부대역별 적응 가중벡터 계산 및 협대역 빔출력 계산
%

time_delay_steering = zeros(N_array,length(t_heta));

for m=1:length(t_heta)
time_delay_steering(:,m) =-E_n*B_m(m,:)'/sound_speed; % ( N_array * 1 )
end

dB_beam_patten1 = zeros(nfft/2,181,181);
w_stmv1 = zeros(N_array,length(t_heta));
P1 = zeros(nfft/2 ,length(t_heta));
norm = zeros(nfft/2 ,length(t_heta));

nBandidx = 1;
nBandidx_old = 0;
for II = 1:nfft/2
disp(['' num2str(II) ' / ' num2str(nfft/2) ''] )
if (II > (nBandidx) * BAND_INTV) && (nBandidx < BAND_INTV);
nBandidx = nBandidx + 1;
end
for m=1:length(t_heta)
phase_steering1=2*pi*freqX(II)*time_delay_steering(:,m);
w_rep1=w_a.*exp(-i*phase_steering1);
diag_w1 = diag(w_rep1);
if nBandidx_old ~= nBandidx;
w_stmv1(:,m)=inv(CSDM_STMV(:,:,m,nBandidx)) * ones(N_array,1)/(ones(N_array,1)' * inv(CSDM_STMV(:,:,m,nBandidx)) * ones(N_array,1));수학식 5 에 해당
end
norm(II,m) = w_stmv1(:,m)'*w_stmv1(:,m);
P1(II,m)=w_stmv1(:,m)'* diag_w1' * CSDM(:,:,II) * diag_w1 * w_stmv1(:,m); 수학식 6 에 해당

end
nBandidx_old = nBandidx;
end

%
% (5) 광대역 빔출력 계산
%
P2 = sum(P1);
%
% (4) Calculation of adaptive weight vector by sub-band and narrow-band beam output
%

time_delay_steering = zeros (N_array, length (t_heta));

for m = 1: length (t_heta)
time_delay_steering (:, m) = -E_n * B_m (m,:) '/ sound_speed; % (N_array * 1)
end

dB_beam_patten1 = zeros (nfft / 2,181,181);
w_stmv1 = zeros (N_array, length (t_heta));
P1 = zeros (nfft / 2, length (t_heta));
norm = zeros (nfft / 2, length (t_heta));

nBandidx = 1;
nBandidx_old = 0;
for II = 1: nfft / 2
disp (['' num2str (II) '/' num2str (nfft / 2) ''])
if (II> (nBandidx) * BAND_INTV) && (nBandidx <BAND_INTV);
nBandidx = nBandidx + 1;
end
for m = 1: length (t_heta)
phase_steering1 = 2 * pi * freqX (II) * time_delay_steering (:, m);
w_rep1 = w_a. * exp (-i * phase_steering1);
diag_w1 = diag (w_rep1);
if nBandidx_old ~ = nBandidx;
w_stmv1 (:, m) = inv (CSDM_STMV (:,:, m, nBandidx)) * ones (N_array, 1) / (ones (N_array, 1) '* inv (CSDM_STMV (:,:, m, nBandidx)) * ones (N_array, 1)); Equation 5
end
norm (II, m) = w_stmv1 (:, m) '* w_stmv1 (:, m);
P1 (II, m) = w_stmv1 (:, m) '* diag_w1' * CSDM (:,:, II) * diag_w1 * w_stmv1 (:, m); Equation 6

end
nBandidx_old = nBandidx;
end

%
% (5) Broadband beam power calculation
%
P2 = sum (P1);

10; 음향센서
11: 신호수신처리기
12: 빔형성기
13: 탐지기
10; Acoustic sensor
11: Signal receiver
12: beam former
13: Detector

Claims (10)

수신된 신호로부터 표적의 방위, 거리, 수심 등을 탐지할 수 있도록 구성된 신호처리시스템에 의하여 수행되는 적응형 빔형성기의 신호처리방법에 있어서,
수신된 신호의 부대역별 조향 공분산행렬 추정 단계(S4)를 수행하여 협대역 및 광대역 빔출력을 계산하는 것을 특징으로 하는 적응형 빔형성기의 신호처리방법.
In the signal processing method of the adaptive beamformer performed by a signal processing system configured to detect the orientation, distance, depth of the target from the received signal,
Signal processing method of the adaptive beamformer, characterized in that for performing the steering covariance matrix estimation step (S4) for each subband of the received signal to calculate the narrowband and wideband beam output.
제 1 항에 있어서,
상기 부대역별 조향 공분산행렬 추정 단계(S4)는,
하기의 수학식 4를 이용하여 추정되는 것을 특징으로 하는 적응형 빔형성기의 신호처리방법.

[수학식 4]
Figure pat00007

- KstmvSub: 부대역별 조향공분산행렬
- ω: 각주파수
- θ: 조향각도
- n: 1,2,.....,N
- N: 부대역 수
- B: 부대역의 주파수 빈수
- DH: 부대역 행렬의 허미션(hermitian)
- K: 조향공분산행렬
- D: 선조향 행렬
According to claim 1,
The steering covariance matrix estimation step for each sub-band (S4),
Signal processing method of the adaptive beamformer, characterized in that estimated using the following equation (4).

[Equation 4]
Figure pat00007

-K stmvSub : Steering covariance matrix by sub-station
-ω: Angular frequency
-θ: steering angle
-n: 1,2, ....., N
-N: Number of sub-stations
-B: Frequency frequency of sub-bands
-D H : Hermitian of subband matrix
-K: steering covariance matrix
-D: Line steering matrix
제 2 항에 있어서,
상기 부대역별 조향 공분산행렬 추정 단계(S4) 이전에,
음향센서로부터 일정한 방위에서 음원의 표적신호를 수신하고, 표적신호의 진폭 데이터를 푸리에변환을 수행하여 주파수 데이터로 변환하는 센서데이터 FFT 단계(S1);
상기 S1 단계를 수행하여 변환된 주파수 데이터를 각 주파수별로 미리 가정한 조향각으로 선조향(pre-steering)하여 선조향 주파수 데이터를 산출하는 선조향 단계(S2); 및
상기 S2 단계를 수행하여 산출된 선조향 주파수 데이터를 각 주파수별로 분할하여 부대역 행렬을 산출하는 부대역 분할 단계(S3)가 수행되는 것을 특징으로 하는 적응형 빔형성기의 신호처리방법.
According to claim 2,
Before the steering covariance matrix estimation step (S4) for each sub-band,
A sensor data FFT step (S1) of receiving a target signal of a sound source from a sound sensor from a sound sensor and performing Fourier transform of the amplitude data of the target signal to frequency data;
A pre-steering step (S2) of calculating the pre-steering frequency data by pre-steering the frequency data converted by performing the step S1 at a steering angle pre-assumed for each frequency; And
Signal processing method of the adaptive beamformer, characterized in that the sub-band segmentation step (S3) is performed by dividing the line steering frequency data calculated by performing the step S2 for each frequency to calculate a subband matrix.
제 3 항에 있어서,
상기 센서데이터 FFT 단계(S1)는,
주파수 데이터로 변환된 각각의 신호 단편간의 공분산 행렬을 계산하되, 하기의 수학식 1을 이용하여 공분산 행렬을 계산하는 것을 특징으로 하는 적응형 빔형성기의 신호처리방법.

[수학식 1]
Figure pat00008

- K: 공분산행렬
- p(f): 신호단편의 주파수데이터
- pH(f): 신호단편의 주파수데이터의 허미션(hermitian)
The method of claim 3,
The sensor data FFT step (S1),
A signal processing method of an adaptive beamformer, wherein a covariance matrix between each signal fragment converted to frequency data is calculated, and a covariance matrix is calculated using Equation 1 below.

[Equation 1]
Figure pat00008

-K: Covariance matrix
-p (f): Frequency data of signal fragment
-p H (f): Hermitian of the frequency data of the signal fragment
제 3 항에 있어서,
상기 선조향 단계(S2)는,
하기 수학식 2에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 적응형 빔형성기의 신호처리방법.

[수학식 2]
Figure pat00009

- WM: 시간지연 벡터
- ω: 각주파수
- θ: 조향각도
- T; 전치행렬
- S: 음속의 역수
- Z: 첫번째 수신기로부터 해당 수신기까지의 거리
The method of claim 3,
The line steering step (S2),
Signal processing method of the adaptive beamformer, characterized in that calculated by the following equation (2).

[Equation 2]
Figure pat00009

-W M : Time delay vector
-ω: Angular frequency
-θ: steering angle
-T; Transposition matrix
-S: reciprocal of sound speed
-Z: Distance from the first receiver to the receiver
제 3 항에 있어서,
상기 부대역 분할 단계(S3)는,
하기의 수학식 3에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 적응형 빔형성기의 신호처리방법.

[수학식 3]
Figure pat00010

- D: 선조향 행렬
- ω: 각주파수
- θ: 조향각도
- W: 시간지연 항
The method of claim 3,
The sub-band division step (S3),
Signal processing method of the adaptive beamformer, characterized in that calculated by the following equation (3).

[Equation 3]
Figure pat00010

-D: Line steering matrix
-ω: Angular frequency
-θ: steering angle
-W: Time delay term
제 2 항에 있어서,
상기 부대역별 조향 공분산행렬 추정 단계(S4) 이후에,
상기 S4 단계를 수행하여 추정된 부대역별 조향 공분산행렬을 이용하여 부대역별 적응 가중벡터를 계산하는 부대역별 적응 가중벡터 계산 단계(S5),
상기 S5 단계를 수행하여 계산된 부대역별 적응 가중벡터를 이용하여 협대역 빔출력을 계산하는 협대역 빔출력 계산 단계(S6) 및
상기 S6 단계를 수행하여 계산된 협대역 빔출력을 모두 합산하여 광대역 빔출력을 계산하는 광대역 빔출력 계산 단계(S7)가 수행되는 것을 특징으로 하는 적응형 빔형성기의 신호처리방법.
According to claim 2,
After the steering covariance matrix estimation step (S4) for each sub-band,
An adaptive weight vector calculation step for each sub-band using the steering covariance matrix for each sub-band estimated by performing the step S4 (S5),
Narrow-band beam output calculation step (S6) for calculating the narrow-band beam output using the adaptive weight vector for each sub-band calculated by performing the step S5 and
A signal processing method of an adaptive beamformer, characterized in that a broadband beam output calculation step (S7) is performed in which the narrow band beam output calculated by performing the step S6 is summed to calculate the broadband beam output.
제 7 항에 있어서,
상기 부대역별 적응 가중벡터 계산 단계(S5)는,
하기의 수학식 5에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 적응형 빔형성기의 신호처리방법.

[수학식 5]
Figure pat00011

- WstmvSub: 부대역별 적응 가중벡터
- ω: 각주파수
- θ: 조향각도
- n: 1,2,.....,N
- KstmvSub: 부대역별 조향공분산행렬
- M: 1,2,.....,M
The method of claim 7,
The adaptive weight vector calculation step for each sub-band (S5),
Signal processing method of the adaptive beamformer, characterized in that calculated by the following equation (5).

[Equation 5]
Figure pat00011

-W stmvSub : Adaptive weight vector by sub-station
-ω: Angular frequency
-θ: steering angle
-n: 1,2, ....., N
-K stmvSub : Steering covariance matrix by sub-station
-M: 1,2, ....., M
제 7 항에 있어서,
상기 협대역 빔출력 계산 단계(S6)는,
하기의 수학식 6에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 적응형 빔형성기의 신호처리방법.

[수학식 6]
Figure pat00012

- P: 협대역 빔출력
- ω: 각주파수
- θ: 조향각도
- WstmvSub: 부대역별 적응 가중벡터
- DH: 선조향 행렬의 허미션(hermitian)
- K: 조향공분산행렬
- D: 선조향 행렬
The method of claim 7,
The narrow-band beam output calculation step (S6),
Signal processing method of the adaptive beamformer, characterized in that calculated by the following equation (6).

[Equation 6]
Figure pat00012

-P: narrowband beam output
-ω: Angular frequency
-θ: steering angle
-W stmvSub : Adaptive weight vector by sub-station
-D H : Hermitian of the line steering matrix
-K: steering covariance matrix
-D: Line steering matrix
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 적응형 빔형성기의 신호처리방법을 수행하는 프로그램이 수록된 컴퓨터로 판독 가능한 저장매체.10. A computer-readable storage medium containing a program for performing a signal processing method of the adaptive beamformer according to any one of claims 1 to 9.
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