專利名稱：一種用聲納測量目標的信號處理方法
技術領域：
本發(fā)明涉及聲納領域，更具體地說，本發(fā)明涉及一種用聲納測量目標的信號處理方法。
背景技術：
近些年來，現(xiàn)代陣信號處理技術中的高分辨率波束形成技術發(fā)展很快。高分辨率波束形成技術利用換能器陣的時空相關函數(shù)構成矩陣，由此矩陣提取聲波的信息，包括聲波入射角和振幅等。換能器陣接收的信號中除了目標信號外，還有噪聲信號。因此換能器陣時空相關函數(shù)矩陣在泛函空間里可以分解成信號子空間和噪聲子空間，兩個子空間相互垂直。相應地，對換能器陣時空相關函數(shù)矩陣的信號處理方法一般分兩大類，一類是譜基方法，它包括噪聲子空間法，又稱零空間法，在小樣本、低信噪比和高信號相干性時，此類方法的性能明顯下降。另一類是參量法，它包括信號子空間法。參量法的性能明顯優(yōu)于譜基方法。
在現(xiàn)有技術中，高分辨率波束形成技術中的噪聲子空間法在聲納中已經(jīng)有應用。例如，在P.Kraeutner等人的美國專利6130641“Imaging methods and apparatus usingmodel-based array signal processing”，以及P.Kreautner等人的文章“Principlecomponents array processing for swath acoustic mapping，proceedings of IEEEOceans’97 Conference，October 1997”和H.Kreautner等人的文章“Beyondinterferometry，resolving multiple angles-of-arrival in swath bathymetric imaging，proceedings of the IEEE Ocean’99 Conference，September，1999”中，采用噪聲子空間法對換能器陣時空相關函數(shù)矩陣進行處理，獲得了比常規(guī)波束形成技術高的分辨率。
在上述引用的文獻中，其信號處理方法存在有如下問題1)時空相關函數(shù)矩陣通常僅由信號矩陣構成，信號矩陣是由聲納的接收信號組成。如果用矩陣X來表示信號矩陣，則時空相關函數(shù)通常為XHX的形式，其中上標H表示共軛轉置，由于信號矩陣X復矩陣，因此其時空相關函數(shù)矩陣也為復矩陣。這樣的時空相關函數(shù)沒有對信號進行解相關處理，當信號存在高相干時，聲納性能下降。而且，對時空相關函數(shù)矩陣的處理是在復空間進行，其運算量很大。
2)采用高分辨率波束形成信號處理中的噪聲子空間法對時空相關函數(shù)矩陣進行處理，而噪聲子空間法在小樣本、低信噪比和高信號相干性時性能明顯下降。
3)現(xiàn)有的信號處理方法在測量海中目標(或者說水中目標)時獲得比較好的效果，但是在測量海底目標(或者說水底目標)時效果較差。例如前述引用的P.Kreautner和H.Kreautner的文章中，在水池中對人造目標進行測量，目標是由正交的銅管構成，這是一個良好的聲學目標，聲納能正確檢測出人造目標，但對池壁的測量結果差。
4)分辨率波束形成信號處理中常常遇到解線性方程組，并要減弱噪聲的影響，最小二乘法是可用的性能一般的方法，它對噪聲的類型和噪聲的干擾形式有相當多的限制。
5)用零空間中的與時空相關函數(shù)矩陣對應的多項式組的根估計目標的方位，此法有缺點，首先，它把入射到換能器陣上的信號都估計出來了，并沒選出所要的直達波信號，也未刪除多途干擾信號；其次，只有正確定出目標數(shù)后求得的目標方位的精度才能高，只用多項式組的根估計目標數(shù)，并且同時估計目標方位，這在若干情況下難以得到好的目標方位估計精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于提供一種用聲納測量目標的信號處理方法，在該方法中構造了一個新的時空相關函數(shù)矩陣；本發(fā)明的另一目的在于提供一種用聲納測量目標的信號處理方法，該方法用信號子空間法進行目標測量。
為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種用聲納測量目標的信號處理方法，所述目標為海中目標或海底目標，所述信號處理方法包括構造時空相關函數(shù)矩陣步驟以及根據(jù)所述時空相關函數(shù)矩陣測量目標步驟，其中在構造時空相關函數(shù)矩陣步驟中，所述時空相關函數(shù)矩陣 包括信號矩陣X以及和信號矩陣相乘的左實變換矩陣BM，還包括使得所述時空相關函數(shù)矩陣 為實矩陣的取實運算；所述信號矩陣是由聲納接收的目標回波信號構成的復矩陣；在測量目標步驟中，采用信號子空間法測量所述目標。
所述左實變換矩陣BM為一個M×M維的矩陣，其形式為BM=IM/2jIM/2PM/2-jPM/2,]]>其中M是聲納換能器陣基元數(shù)，IM/2為M/2階單位矩陣，RM/2為M/2階對稱置換矩陣。
所述時空相關函數(shù)矩陣R^TT=1MNRe[2BMHXXHBM],]]>其中M是聲納換能器陣基元數(shù)，N是聲納在一個等效脈寬內(nèi)的采樣數(shù)目，Re表示取實操作，上標H表示轉置共軛運算。
在測量目標步驟中，包括計算時空相關函數(shù)矩陣 的特征值；根據(jù)時空相關函數(shù)矩陣 的特征值估計目標個數(shù)；根據(jù)所估計的目標個數(shù)計算信號子空間 在信號子空間內(nèi)獲得各個目標的方向和/或信號波形。其中，在信號子空間內(nèi)采用總體最小二乘法獲得各個目標的方向。在信號子空間內(nèi)采用信號復原算法獲得各個目標的信號波形。當所述目標為海底目標時，還包括根據(jù)目標的方向計算海底高度的步驟。當所述目標為海底目標時，還包括根據(jù)海底地形變化規(guī)律判定所述海底高度是否真實的步驟；如果判定所述海底高度不真實，還包括根據(jù)時空相關函數(shù)矩陣 的特征值再次估計目標個數(shù)的步驟。
所述的信號矩陣是由聲納接收的回波信號超過信號平均強度的信號來構成。
本發(fā)明的優(yōu)點1)在本發(fā)明中，時空相關函數(shù)矩陣由信號矩陣和左實轉換矩陣聯(lián)合構成，并且通過取實操作使得時空相關函數(shù)矩陣為實矩陣，這樣構成的相關函數(shù)矩陣對信號進行了解相關處理，即使接收信號存在高相干時仍可獲得好的性能。而且，對時空相關函數(shù)矩陣的處理是在實空間進行，明顯減少了運算量。
2)在本發(fā)明中，采用高分辨率波束形成信號處理中的信號子空間法對時空相關函數(shù)矩陣進行處理，而信號子空間法在小樣本、低信噪比和高信號相干性時性能明顯優(yōu)于噪聲子空間法。
3)相比于現(xiàn)有的信號處理方法，本發(fā)明在測量海底目標(或者說水底目標)時具有更優(yōu)的效果。


圖1是采用本發(fā)明信號處理方法的高分辨率三維側掃聲納系統(tǒng)的組成示意圖；圖2是圖1所示高分辨率三維側掃聲納系統(tǒng)的具體組成結構圖；圖3是本發(fā)明信號處理方法一個實施例的流程圖；圖4是高分辨率三維側掃聲納系統(tǒng)采用本發(fā)明的信號處理方法在水池中的試驗結果；圖5是將高分辨率三維側掃聲納系統(tǒng)裝在水下機器人上采用本發(fā)明的信號處理方法在深水湖的試驗記錄；
圖6是高分辨率三維側掃聲像系統(tǒng)采用本發(fā)明的信號處理方法獲得的水底微地形地貌。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述。
圖1示出了采用本發(fā)明信號處理方法的高分辨率三維側掃聲納系統(tǒng)的組成示意圖。該高分辨率三維側掃聲納系統(tǒng)包括換能器陣200和電子分機300，它們布置在位于海面104下的載體100上。高分辨率三維側掃聲納系統(tǒng)的終端計算機400布置在海面104上的母船(未示出)上。終端計算機400與電子分機300之間通過電纜連接。高分辨率三維側掃聲納系統(tǒng)通過換能器陣200向海底發(fā)射波束101，并接收諸如海中目標(未示出)或者海底102和/或海底目標103等目標的反射回波信號，經(jīng)電子分機300處理后得到各個目標的方位角等測量信息。如圖1所示，換能器陣200發(fā)出的扇形波束101在垂直面內(nèi)波束很寬，在水平面內(nèi)波束很窄。
高分辨率三維側掃聲納系統(tǒng)更具體的組成如圖2所示。換能器陣200包括左接收換能器201、左發(fā)射換能器203、右接收換能器202和右發(fā)射換能器204。電子分機300包括左接收機301、左發(fā)射機303、右接收機302、右發(fā)射機304、多通道A/D轉換器305、高速數(shù)字信號處理器306、控制系統(tǒng)發(fā)射和接收的過程的控制器307、主控計算機308、姿態(tài)傳感器309、溫度傳感器310以及硬盤311。電子分機300通過以太網(wǎng)312與終端計算機400相聯(lián)。
如圖2所示，電子分機300中的左發(fā)射機203和右發(fā)射機204分別與換能器陣200中的左發(fā)射換能器203和右發(fā)射換能器204連接，電子分機300中的左接收機301和右接收機302分別與換能器陣200中的左接收換能器201和右接收換能器202連接。左接收機301和右接收機302與多通道A/D換能器305連接，多通道A/D轉換器305與高速數(shù)字信號處理器306連接，高速數(shù)字信號處理器306與主控計算機308連接，主控計算機308與控制器307和硬盤311連接，并經(jīng)以太網(wǎng)312與終端計算機400連接?？刂破?07與左接收機310、右接收機302、左發(fā)射機303、右發(fā)射機304、姿態(tài)傳感器309和溫度傳感器310連接。
圖1和圖2所示高分辨率三維側掃聲納系統(tǒng)的專用測量程序裝載在主控計算機308的存儲器中，并按圖3中所示流程圖中的步驟執(zhí)行。
401是開始步驟，由終端計算機400發(fā)出指令，傳輸?shù)诫娮臃謾C300中的主控計算機308，啟動計算機308中的程序，使聲納處于工作狀態(tài)。
在步驟402和403中，由初始化模塊對聲納系統(tǒng)的軟件和硬件進行初始化。
在步驟404中，主控計算機308生成發(fā)射信號，通常是用計算機得到數(shù)字化的發(fā)射信號波形。這里的發(fā)射信號最好具有窄的等效脈寬，在實際應用中通常使發(fā)射信號的等效脈寬小于0.1毫秒。發(fā)射信號的等效脈寬越窄，在一個時刻到達聲納的信號所代表的空間區(qū)域越窄，這樣能夠減少不同方向同時到達換能器陣的目標回波數(shù)目)。為了使發(fā)射信號獲得窄的等效脈寬，發(fā)射信號優(yōu)選具有窄的相關函數(shù)，這樣的信號包括窄簡單脈沖和線性調頻信號(Chirp信號)脈沖。
在步驟405中，主控計算機308經(jīng)控制器307驅動發(fā)射機303和304，再驅動發(fā)射換能器203和204，朝向海底發(fā)射聲脈沖到流體介質(例如海水)中。
在步驟406中，接收換能器201和202接收從流體介質、海中目標和海底目標的反向散射的回波信號，并饋送給接收機301和302。
在步驟407中，由接收機301和302對回波信號進行解調濾波，然后送入多通道A/D轉換器305。
在步驟408中，多通道A/D轉換器305將回波信號從模擬信號轉換成數(shù)字信號，再送到高速數(shù)字信號處理器306中，在其中逐一執(zhí)行步驟409～步驟416。
在步驟409中，計算接收信號的平均強度，并挑選出信號強度大于平均強度的接收信號。
在步驟410中，構造一個實的時空相關函數(shù)矩陣 用挑選出的接收信號構造信號矩陣X，信號矩陣X是由反向散射回波信號構成的一個M×N維的復矩陣，M是換能器陣基元數(shù)，一般取M為偶數(shù)，N是在一個等效脈寬內(nèi)的采樣數(shù)目。在本發(fā)明中，時空相關函數(shù)矩陣中除了信號矩陣X，還提供一個左實變換矩陣BM，在一個實施例中，該左實變換矩陣為BM為一個M×M維的矩陣，其形式為BM=IM/2jIM/2PM/2-jPM/2,]]>可見BM可分解為2×2的分塊矩陣，每個子矩陣為M/2×M/2維矩陣，其第一行為子矩陣IM/2和jIM/2，第二行為jPM/2和-jPM/2，其中IM/2為M/2階單位矩陣，PM/2為M/2階對稱置換矩陣。
在一個實施例中，將該左實變換矩陣BM做共軛轉置運算后與信號矩陣X相乘，以形成一新的信號矩陣X′=BMHX,]]>再由該新的信號矩陣X′用常規(guī)的方法構成時空相關函數(shù)矩陣，即構造成X′X′H的形式，其中上標H表示共軛轉置運算。依照本發(fā)明構造的實的時空相關函數(shù)的一個優(yōu)選示例為R^TT=1MNRe[2BMHXXHBM],]]>Re表示取實操作。
在本發(fā)明中，通過左實變換矩陣BM和取實操作，對相關函數(shù)矩陣中所包含的接收信號進行解相關處理，使得本發(fā)明在高信號相干性時仍可獲得好的性能。同時，由于本發(fā)明的時空相關函數(shù)矩陣 為實矩陣，在后續(xù)的處理中均為實數(shù)運算，明顯減少了運算量。
在步驟411～步驟414中，根據(jù)所構造實時空相關函數(shù)矩陣 采用信號子空間法測量各個目標。
在步驟411中，計算實時空相關函數(shù)矩陣 的特征值。計算矩陣束 的廣義特征分解，其中∑M為噪聲相關矩陣的結構矩陣。廣義特征分解的計算公式為R^TTE‾=ΣME‾Λ^,]]>式中廣義特征值矩陣。∑M、Λ^=diag{λ^I······λ^M},]]>λ^I≥······≥λ^M,]]>廣義特征矢量矩陣E‾=[e^1|······|e^M].ΣM,]]> 和 都為M×M維的矩陣，M為換能器陣基元數(shù)。
在步驟412中，根據(jù)實時空相關函數(shù)矩陣 的特征值估計出目標個數(shù)。在廣義特征值矩陣.Λ^=diag{λ^1······λ^M}]]>中，由于代表噪聲子空間的特征值遠小于代表信號子空間的特征值，因此可由廣義特征矩陣Λ^=diag{λ1······λM}]]>中λ^j(1≤j≤M)]]>值大的 的數(shù)目初步估計目標數(shù)n。由于代表噪聲子空間的特征值和代表信號子空間的特征值之間大小差異很大，因此這是本領域的技術人員很容易判斷的。
在步驟413中，根據(jù)所估計的目標個數(shù)n計算信號子空間 信號子空間S^X=R{E^S},]]>R{}為象空間，E^S=ΣM[e1|······|en]]]>是由目標個數(shù)n確定的信號子空間的基，也就是說信號子空間 是由 張成的象空間。
在步驟414中，在信號子空間內(nèi)采用總體最小二乘法獲得各個目標的方向和信號波形。具體地，首先計算E^X=C1E^S,E^Y=C2E^S,]]>其中C1=2Re{BM-1HG2BM},]]>C2=2/m{BM-1HG2BM},]]>G2為(M-1)×M矩陣，第一列為零矢量，其它為一個單位矩陣，其中BM-1為(M-1)×(M-1)的左實轉換矩陣，定義為I(M-1)/20jI(M-1)/20T20TP(M-1)/20-jP(M-1)/2,]]>其中0為(M-1)/1×1維零矩陣。用總體二乘法求解方程E^XΓ=E^Y]]>后得到Γ，然后計算矩陣Γ的特征值和左特征向量矩陣，特征值記為λ1……λn，左特征向量矩陣記為W。最后得到各個目標的方向角θ^k=arcsin{-cφ^k/ω0Δ},]]>其中φ^k=2arctan(λk),]]>k＝1，……n，c，ω0和Δ分別是聲速，信號中心頻率和換能器陣基元間距。采用信號復原算法，得到信號波形S^=(WHE^sHE^sW)-1WHE^sHBMHX.]]>通過前述步驟即可得到各個目標的方向和信號波形。但是眾所周知，在聲納領域，測量海底目標的要難于測量海中目標，可以測量海底目標的聲納通常也可以測量海中目標，而能夠測量海中目標的聲納卻不一定能夠測量海底目標。作為本發(fā)明的測量海底目標的一個具體應用，在下文中將繼續(xù)描述通過測量海底目標獲得海底聲像的步驟。
在步驟414之后，可以獲得各個海底目標的目標的方向和信號波形。在步驟415中，根據(jù)海底目標到達方向 和聲波來回的聲程差求得海底的各處的高度H和水平距離，也就是各個海底目標的高度和水平距離。聲程差由發(fā)射信號的時刻和接收到某方向回波的時刻之差獲得。在測量過程中，水中載體100不斷前進，換能器陣200不斷發(fā)射信號，海底回波依時間的先后被換能器陣200接收，這樣經(jīng)電子分機300處理后可以得到海底各個位置(即海底目標)的高度，從而形成海底的聲像，并將結果傳輸給終端計算機400。
在步驟416中，計算海底的高度H隨水平距離的變化規(guī)律，將獲得的高度隨距離的變化與公認的諸如斜率(海底地形不超過30度)和變化周期等海底地形變化規(guī)律進行比較，如果符合，則此認定該H值是真實的，轉入步驟417獲得海底的聲像；如果不符合，則轉入步驟412中，設置新的目標數(shù)n，再次執(zhí)行步驟413～步驟416，直至最后絕大多數(shù)海底目標樣本均獲得正確的深度。
在步驟417中，根據(jù)步驟414得到的目標的復原信號，將復原得到的所在位置回波信號的強度作為該位置的側掃結果，并將其顯示在二維圖上，使得實際顯示位置與目標的真實位置相一致，從而獲得海底聲像。
圖4是高分辨率三維側掃聲納系統(tǒng)采用本發(fā)明的信號處理方法在水池中試驗結果，測量結果與實際池壁相當符合。
圖5是將高分辨率三維側掃聲納系統(tǒng)裝在水下機器人上采用本發(fā)明的信號處理方法在深水湖的試驗記錄。航行路線是十字形，驗證聲像系統(tǒng)的測深精度。測量結果表示在表1中，由表1可看測深精度為0.5～0.7％，好于國際航道局的標準1％。
圖6是本發(fā)明的高分辨率三維側掃聲像系統(tǒng)獲得的水底微地形地貌。
權利要求
1.一種用聲納測量目標的信號處理方法，所述目標為海中目標或海底目標，所述信號處理方法包括構造時空相關函數(shù)矩陣步驟以及根據(jù)所述時空相關函數(shù)矩陣測量目標步驟，其特征在于在構造時空相關函數(shù)矩陣步驟中，所述時空相關函數(shù)矩陣 包括信號矩陣X以及和信號矩陣相乘的左實變換矩陣BM，還包括使得所述時空相關函數(shù)矩陣 為實矩陣的取實運算；所述信號矩陣是由聲納接收的目標回波信號構成的復矩陣；在測量目標步驟中，采用信號子空間法測量所述目標。
2.根據(jù)權利要求1所述的用聲納測量目標的信號處理方法，其特征在于，所述左實變換矩陣BM為一個M×M維的矩陣，其形式為BM=IM/2jIM/2PM/2-jPM/2,]]>其中M是聲納換能器陣基元數(shù)，IM/2為M/2階單位矩陣，PM/2為M/2階對稱置換矩陣。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的用聲納測量目標的信號處理方法，其特征在于，所述時空相關函數(shù)矩陣R^TT=1MNRe[2BMHXXHBM],]]>其中M是聲納換能器陣基元數(shù)，N是聲納在一個等效脈寬內(nèi)的采樣數(shù)目，Re表示取實操作，上標H表示轉置共軛運算。
4.根據(jù)權利要求1所述的用聲納測量目標的信號處理方法，其特征在于，在測量目標步驟中，包括計算時空相關函數(shù)矩陣 的特征值；根據(jù)時空相關函數(shù)矩陣 的特征值估計目標個數(shù)；根據(jù)所估計的目標個數(shù)計算信號子空間 ；在信號子空間內(nèi)獲得各個目標的方向和/或信號波形。
5.根據(jù)權利要求4所述的用聲納測量目標的信號處理方法，其特征在于，在信號子空間內(nèi)采用總體最小二乘法獲得各個目標的方向。
6.根據(jù)權利要求4所述的用聲納測量目標的信號處理方法，其特征在于，在信號子空間內(nèi)采用信號復原算法獲得各個目標的信號波形。
7.根據(jù)權利要求4所述的用聲納測量目標的信號處理方法，其特征在于，當所述目標為海底目標時，還包括根據(jù)目標的方向計算海底高度的步驟。
8.根據(jù)權利要求7所述的用聲納測量目標的信號處理方法，其特征在于，當所述目標為海底目標時，還包括根據(jù)海底地形變化規(guī)律判定所述海底高度是否真實的步驟；如果判定所述海底高度不真實，還包括根據(jù)時空相關函數(shù)矩陣 的特征值再次估計目標個數(shù)的步驟。
9.根據(jù)權利要求1所述的用聲納測量目標的信號處理方法，其特征在于，所述的信號矩陣是由聲納接收的回波信號超過信號平均強度的信號來構成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用聲納測量目標的信號處理方法，用于測量海中目標或海底目標，該信號處理方法包括構造時空相關函數(shù)矩陣步驟以及根據(jù)所述時空相關函數(shù)矩陣測量目標步驟，其中在構造時空相關函數(shù)矩陣步驟中，所述時空相關函數(shù)矩陣R
文檔編號G01S15/00GK1800874SQ20041010403
公開日2006年7月12日 申請日期2004年12月31日 優(yōu)先權日2004年12月31日
發(fā)明者朱維慶, 劉曉東 申請人:中國科學院聲學研究所