專利名稱：一種二維波達(dá)方向估計(jì)聲納信號(hào)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種二維高分辨率聲納信號(hào)處理方法，特別涉及一種利用二維波達(dá)方向(Direction of Arrival，以下簡(jiǎn)稱DOA)估計(jì)獲得水下目標(biāo)方位信息的聲納信號(hào)處理方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，一般采用常規(guī)的波束形成技術(shù)在二維平面上形成波束，獲得目標(biāo)的三維聲像。常規(guī)波束形成技術(shù)以付氐變換為基礎(chǔ)，它的波束角寬為Δθ＝λ/d，其中λ是波長(zhǎng)，d是聲納陣的最大尺寸。如果要使波束角寬Δθ減小，獲得高的分辨率，通常有兩種方法，一種方法是減小波長(zhǎng)λ，頻率增大，但是縮短了作用距離；另一種方法是增大聲納陣的尺寸d，但是這樣會(huì)使得聲納陣造價(jià)上升，安裝不便。
近年來(lái)，現(xiàn)代陣信號(hào)處理發(fā)展很快，利用陣的時(shí)空相關(guān)函數(shù)構(gòu)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，這種方法被稱為波達(dá)方向(DOA)估計(jì)方法。聲納陣接收的信號(hào)中除了目標(biāo)信號(hào)外，還有噪聲信號(hào)，因此陣時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣在泛函空間里分解成信號(hào)子空間和噪聲子空間，兩個(gè)子空間相互垂直。波達(dá)方向估計(jì)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，但在小樣本、低信噪比和高信號(hào)相干性時(shí)，此類方法的性能明顯下降；另一類是參量法，它包括信號(hào)子空間法，參量法的性能明顯優(yōu)于譜基方法。
P.Kraeutner等人的專利，專利號(hào)US6130641，專利名稱“Imaging methods andapparatus using model-based array signal processing”中采用現(xiàn)代陣信號(hào)處理中的零空間法，即噪聲子空間，對(duì)換能器陣時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣進(jìn)行處理，獲得了一維波達(dá)方向(DOA)估計(jì)的聲納陣信號(hào)處理方法，該方法比常規(guī)波束形成技術(shù)的分辨率高。
朱維慶等人的中國(guó)專利ZL01142136.3，專利名稱“用于測(cè)量海底微地貌的高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納系統(tǒng)和測(cè)量方法”和朱維慶等人的美國(guó)專利US6873570B2，專利名稱“High resolution bathymetric sonar system and measuring method for measuring thephysiognomy of the seabed”采用現(xiàn)代陣信號(hào)處理中的信號(hào)子空間法，對(duì)換能器時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣進(jìn)行處理，獲得了一維波達(dá)方向(DOA)估計(jì)的聲納陣信號(hào)處理方法，該方法比常規(guī)波束形成技術(shù)的分辨率高。
但是，上述已有技術(shù)中存在的不足在于已有的聲納信號(hào)處理方法中，只用了一維波達(dá)方向估計(jì)進(jìn)行聲信號(hào)處理，另一維是采用常規(guī)波束形成技術(shù)，從而使得聲納陣探測(cè)水下目標(biāo)的分辨率很低；事實(shí)上，在利用聲納陣探測(cè)水下目標(biāo)時(shí)，需要二維波達(dá)方向(DOA)估計(jì)的聲信號(hào)處理，加上距離軸，才能獲得水下目標(biāo)的高分辨率三維聲像。
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，人們希望有一種二維波達(dá)方向估計(jì)的聲納信號(hào)處理方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的不足，提供一種更高分辨率的、實(shí)際應(yīng)用中具有良好性能的二維波達(dá)方向估計(jì)的聲信號(hào)處理方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案一種二維波達(dá)方向估計(jì)聲納信號(hào)處理方法，包括如下步驟1)對(duì)聲納陣基元輸出信號(hào)的相位進(jìn)行修正，所述聲納陣為中心對(duì)稱二維聲納陣；2)計(jì)算聲納陣相關(guān)函數(shù)估計(jì)值；3)對(duì)上述聲納陣相關(guān)函數(shù)估計(jì)值進(jìn)行特征值分解；4)第一求子陣運(yùn)算將中心對(duì)稱的二維聲納陣分成分別沿相互垂直的x和y方向的一維聲納陣，每個(gè)一維聲納陣分成多個(gè)子陣對(duì)，每個(gè)子陣對(duì)的子陣包含相同數(shù)量的基元，執(zhí)行求子陣運(yùn)算；5)計(jì)算所有子陣對(duì)的相關(guān)函數(shù)估計(jì)值；6)對(duì)所有子陣對(duì)的相關(guān)函數(shù)估計(jì)值進(jìn)行特征值分解；7)計(jì)算所有子陣對(duì)的特征向量估計(jì)值；8)計(jì)算目標(biāo)對(duì)于x方向和y方向聲納陣的兩個(gè)張角的估計(jì)值，挑選與最小方差對(duì)應(yīng)的兩個(gè)張角估計(jì)值；9)計(jì)算目標(biāo)數(shù)估計(jì)，由步驟6)分別求對(duì)應(yīng)x方向和y方向的目標(biāo)數(shù)，如果兩方向的目標(biāo)數(shù)不等，則停止運(yùn)算，否則繼續(xù)運(yùn)算；10)第二求子陣運(yùn)算，將二維聲納陣展成一維，按一維聲納陣的方式選擇矩陣；11)求所有二維聲納陣對(duì)應(yīng)的特征向量估計(jì)值；
12)計(jì)算各目標(biāo)對(duì)于x方向和y方向聲納陣的兩個(gè)張角的估計(jì)值，挑選與最小方差對(duì)應(yīng)的兩個(gè)張角估計(jì)值。
在上述技術(shù)方案中，所述步驟1)具體包括(1)由多個(gè)不相關(guān)的信號(hào)源，得到聲納陣的輸出；(2)計(jì)算等效基元間距誤差；(3)由等效基元間距誤差對(duì)聲納陣基元輸出信號(hào)的相位進(jìn)行修正。
在上述技術(shù)方案中，步驟1)中所述中心對(duì)稱二維聲納陣的形式是矩形、方框形、十字形或圓形等形狀，如圖1(a)-(d)所示，聲納陣的基元數(shù)在二維對(duì)稱的情形下可以增減。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1)可以正確判定目標(biāo)數(shù)；2)利用等效基元間距誤差對(duì)聲納陣基元輸出信號(hào)的相位進(jìn)行修正；3)本發(fā)明采用多子陣的處理方法，提高目標(biāo)方位估計(jì)精度；4)獲得水下目標(biāo)的三維聲像分辨率更高。


圖1(a)表示本發(fā)明的矩形聲納陣示意圖；圖1(b)表示本發(fā)明的方框形聲納陣示意圖；圖1(c)表示本發(fā)明的十字形聲納陣示意圖；圖1(d)表示本發(fā)明的圓形聲納陣示意圖；圖2表示本發(fā)明實(shí)施例示意圖；圖3表示本發(fā)明實(shí)施例示意圖；圖4本發(fā)明一實(shí)施例將十字形聲納陣展開(kāi)后的子陣選擇示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述能夠再現(xiàn)本發(fā)明的中心對(duì)稱的二維聲納陣形式有很多種，而且聲納陣元的數(shù)目不應(yīng)該受到限制，以二維中心對(duì)稱的方式可以增減聲納陣元數(shù)目。
本實(shí)施例以圖2中的十字陣為例，來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的二維波達(dá)方向估計(jì)聲納信號(hào)處理方法。本發(fā)明對(duì)所有二維中心對(duì)稱的二維聲納陣均適用，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)實(shí)施例的描述，將本方法應(yīng)用到其他形式的二維中心對(duì)稱的聲納陣，是可以勝任的。
如圖1(a)-(d)所示的四種聲納陣矩形、方框形、十字形和圓形聲納陣，四種聲納陣在x方向和y方向的基元數(shù)最多為5個(gè)，可分辨4個(gè)相干目標(biāo)。并且，在兩個(gè)方向最多基元數(shù)相等的情形下，十字形狀的二維聲納陣的基元數(shù)是最少的。如圖2所示，本實(shí)施例的十字形二維聲納陣在xy平面內(nèi)，共有9個(gè)基元，5號(hào)基元為基準(zhǔn)點(diǎn)，3、4、5、6、7號(hào)基元順序排在x軸上，構(gòu)成x方向的一維聲納陣；1、2、5、8、9號(hào)基元順序排在y軸上，構(gòu)成y方向的一維聲納陣。圖2中聲納陣前方有目標(biāo)A，它的波矢量為K＝k(sinφcosθ sinφsinθ cosφ)T，φ稱為俯仰角，θ稱為方位角，k為波數(shù)，同時(shí)也得到sinφcosθ＝sinα (1a)sinφsinθ＝sinβ (1b)稱α為x軸聲納陣的張角，以順時(shí)針為正方向；稱β為y軸聲納陣的張角，以逆時(shí)針為正方向，則K＝k(sinαcosθ sinβ cosθ)T。
本發(fā)明波達(dá)方向估計(jì)方法解決的技術(shù)問(wèn)題之一是目標(biāo)數(shù)的正確判定。如圖3所示，當(dāng)存在多目標(biāo)，并且它們之間的連線與x軸或者y軸平行時(shí)，會(huì)存在目標(biāo)數(shù)的不正確的判定。在圖3中，十字形聲納陣布設(shè)與圖2相同，存在目標(biāo)1和目標(biāo)2兩個(gè)目標(biāo)，它們的連線與y軸平行，在xy平面的投影關(guān)于x軸對(duì)稱，角α1和α2分別是兩個(gè)目標(biāo)對(duì)x軸的張角，角β1和β2分別是兩個(gè)目標(biāo)對(duì)y軸的張角。由圖3可見(jiàn)，α1和α2相等，β1和β2大小相等，方向相反，由此得出的結(jié)果是對(duì)x軸的聲納陣只存在一個(gè)目標(biāo)，對(duì)y軸的聲納陣存在兩個(gè)目標(biāo)。對(duì)于上述情況，如果用直接二維波達(dá)方向估計(jì)方法，則對(duì)x軸和y軸聲納陣的張角均為不等的二個(gè)值，也即對(duì)x軸的聲納陣多出了一個(gè)不存在的α3。這顯然是錯(cuò)誤的。本發(fā)明的解決方法是，首先，將x軸和y軸的均勻線陣分別用一維波達(dá)方向估計(jì)方法估計(jì)張角α和β，如果發(fā)現(xiàn)α和β的個(gè)數(shù)不相等，則此計(jì)算即為最終結(jié)果。否則，采用二維波達(dá)方向估計(jì)方法，獲得α和β精度較高的估計(jì)。
波達(dá)方向估計(jì)是非線性估計(jì)，對(duì)硬件有較高的要求，主要是對(duì)接收通道的一致性有較高的要求。影響通道一致性的主要因素有幾個(gè)方面(1)聲納陣基元相位和幅度的誤差，其中主要是相位誤差。(2)基元間距的不一致性，它產(chǎn)生基元接收信號(hào)的相位誤差。(3)入射波陣面的相位起伏。上述三種因素均可形式上等效為基元間距dl產(chǎn)生了誤差Δdl，在本實(shí)施例中，dl是第l個(gè)陣元與第5個(gè)陣元即中心陣元的間距。本發(fā)明波達(dá)方向估計(jì)方法解決的技術(shù)問(wèn)題之二是如何由等效基元間距誤差對(duì)聲納陣基元輸出信號(hào)的相位進(jìn)行修正。在本實(shí)施例中，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)F(Δdl,Δθ)=min||θ-θA||F2---(2)]]>此處，對(duì)于圖3中的十字陣，l＝1……8，θA＝[θA1……θAh]，它是理論入射角，h是測(cè)量次數(shù)，Δθ是θ的誤差角，||·||F是Frobenius范數(shù)。找到滿足上式的Δdl和Δθ，則基元的相位誤差為Δφl(shuí)＝kΔdlsinθm＝1，……8(3)此Δφl(shuí)加在相應(yīng)通道信號(hào)的相位上，進(jìn)行補(bǔ)償。
下面的步驟詳細(xì)說(shuō)明了如圖3所示的十字形聲納陣的二維波達(dá)方向估計(jì)聲納信號(hào)處理方法。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)下述步驟對(duì)其他形式二維中心對(duì)陣的聲納陣采用二維波達(dá)方向估計(jì)聲納信號(hào)處理，是可以勝任的。步驟包括1).設(shè)有M個(gè)不相關(guān)的信號(hào)源s，得聲納陣輸出x，由下式表示x＝A(α，β)s+n (4)其中x＝[x1x2……xL]T(5a)A＝(α，β)＝[a(α1，β1)……a(αM，βM)](5b)α＝[α1……αM]T(5c)
β＝[β1……βM]T(5d)a(αi,βi)=g(αi,βi)[e-j(L2-1)kdsinβi/2...1,e-jkdsinβi,ej(L1-1)kdsinαi/2,...ejkdsinαi,]]>1,e-jkdsinαi,...,e-j(L1-1)kdsinαi/2,ejkdsinβi,...,ej(L2-1)kdsinβi/2]T---(5e)]]>s＝[s1……sM]T(5f)n＝[n1……nL]T(5g)其中n是零均值的空間白噪聲，g(αi，βi)是基元的指向性系數(shù)，L是基元數(shù)，L1和L2分別是x方向和y方向的基元數(shù)，k是波數(shù)，d為基元間距。
2).求等效基元間距誤差Δdm。目標(biāo)函數(shù)為F(Δdm,Δθ)=min||θ-θA||F2,m=1...L-1---(6)]]>其中θA＝[θA1……θAh]，它是理論聲波入射角，h是測(cè)量次數(shù)，θ是測(cè)得的聲波入射角，Δθ是θ的誤差角，L是聲納陣基元數(shù)，||·||F是Frobenius范數(shù)。求得滿足上式的Δdm和Δθ。
3).求聲納陣基元輸出信號(hào)xl的相位修正Δφl(shuí)；Δφl(shuí)＝kΔdlsinθl＝1……L-1 (7)將Δφl(shuí)加在xl的相位上。
4).求聲納陣相關(guān)函數(shù)估計(jì)值 即R^=1NΣn=1NxnxnH---(8)]]>5).對(duì)聲納陣相關(guān)函數(shù)估計(jì)值 進(jìn)行特征值分解R^=AR^sAH+σ2I=U^sΣ^sU^sH+U^nΣ^nU^nH---(9)]]>其中 是信號(hào)相關(guān)函數(shù)的估計(jì)值，σ2是噪聲方差的估計(jì)值， 和 分別是信號(hào)的特征向量和特征值的估計(jì)值， 和 分別是噪聲的特征向量和特征值的估計(jì)值；上標(biāo)H表示共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算；6).第一求子陣運(yùn)算。將二維十字聲納陣分成x和y方向的一維聲納陣，相應(yīng)的基元數(shù)分別為L(zhǎng)1和L2，相應(yīng)的輸出為w和v。執(zhí)行下列求子稱運(yùn)算，得到子陣對(duì)x方向 y方向 輸出w由下式表示w＝A(α)s+n(12)其中w=[w1w2......wL1]T---(13a)]]>A(α)＝[a(α1)……a(αM)] (13b)α＝[α1……αM]T(13c)a(αi)=g(αi)[e-(L1-1)kdsinα1/2,...,ejkdsinαi,1,e-jksinαi,...,e-j(L1-1)kdsinαi/2]T---(13d)]]>s＝[s1……sM]T(13e)n=[n1......nL1]T---(13f)]]>輸出v由下式表示v＝A(β)s+n (14)其中v=[v1v2......vL2]T---(15a)]]>A(β)＝[a(β1)……a(βM)] (15b)β＝[β1……βM]T(15c)a(βi)=g(βi)[e-j(L2-1)kdsinβi/2,...,e-jkdsinβi,1,ejkdsinβi,...,e-j(L2-1)kdsinβi/2]T---(15d)]]>s＝[s1……sM]T(15e)n=[n1......nL2]T---(15f)]]>由圖2可見(jiàn)L1和L2可分別為4、3、2，得到多個(gè)子陣對(duì)。以x方向?yàn)槔?，子陣?duì)包含的基元的形式可為L(zhǎng)＝4，2子陣，由基元3#到6#和4#到7#構(gòu)成；L＝3，3子陣，由基元3#到5#，4#到6#和5#到7#構(gòu)成；L＝2，4子陣，由基元3#4#、4#5#、5#6#和6#7#構(gòu)成。更為詳細(xì)的技術(shù)內(nèi)容已記載在本申請(qǐng)人的在先申請(qǐng)中，申請(qǐng)?zhí)枮?00510085511.9，名稱為“一種高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納系統(tǒng)和信號(hào)處理方法”。對(duì)于y方向采取類似計(jì)算。
7).求所有子陣對(duì)相關(guān)函數(shù)估計(jì)值，即R^w=1NΣn=1NwwH---(16)]]>R^V=1NΣn=1NvnvnH---(17)]]>8).對(duì)所有子陣對(duì)的 和 進(jìn)行特征值分解R^1=A(α)R^s1A(α)H+σ2I=U^s1Σ^s1Us1H+U^nΣ^nU^n---(18)]]>R^2=A(β)R^s2A(β)H+σ2I=U^s2Σ^s2U^s2+U^nΣ^nU^n---(19)]]>其中各量同公式(8)，只是下標(biāo)s1和s2分別表示x和y方向的子陣。
9).計(jì)算所有子陣對(duì)的特征向量估計(jì)值U^s11=J1U^s1U^s12-J2U^s1---(20)]]>U^s21=J3U^s2U^s22=J4U^s2---(21)]]>10).求所有張角的估計(jì)值 和 在約束條件(U^s12+ΔU^s12)∈range(U^s11+ΔU^s11)]]>下 在約束條件(U^s21+ΔU^s21)∈range(U^s22+ΔU^s22)]]>下 其中 和 分別是 和 的誤差。
11)比較所有子陣對(duì)的 和 挑選與最小方差對(duì)應(yīng)的 和 12)目標(biāo)數(shù)估計(jì)，由步驟8)分別求目標(biāo)的個(gè)數(shù) i＝1…I， i＝1…J，如果I≠J，則停止運(yùn)算，否則繼續(xù)運(yùn)算；
13)第二求子陣運(yùn)算，將圖2中的十字聲納陣展開(kāi)成一維，按一維聲納陣類似的方式得選擇矩陣，獲得子陣對(duì)；本實(shí)施例中，x方向選擇矩陣JDX1=001000000000100000000010000000001000---(24)]]>JDX2=000100000000010000000001000000000100---(25)]]>本實(shí)施例中，y方向選擇矩陣JDY1=100000000010000000000010000000000010---(26)]]>JDY2=010000000000010000000000010000000001---(27)]]>與公式(24)、(25)、(26)和(27)對(duì)應(yīng)的子陣選擇示意圖見(jiàn)圖4。
本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚，由圖4可知，與一維情況一樣有多種子陣對(duì)選擇方式，例如x方向，2子陣，由基元3#到6#和4#到7#構(gòu)成；3子陣，由基元3#到5#，4#到6#和5#到7#構(gòu)成；4子陣，由基元3#4#、4#5#、5#6#和6#7#構(gòu)成；y方向類似計(jì)算；得出與公式(25)、(26)、(27)和(28)對(duì)應(yīng)的選擇矩陣。
14)計(jì)算所有二維十字聲納陣對(duì)應(yīng)的特征向量估計(jì)值U^DX1=JDX1U^sU^DX2=JDX2U^s---(28)]]>U^DY=JDY1U^sU^DY2=JDY2U^s---(29)]]>15)求所有張角的估計(jì)值 和 在約束條件(U^DX2+ΔU^DX2)∈range(U^DX1+ΔU^DX1)]]>下
在約束條件(U^DY2+ΔU^DY2)∈range(U^DY1+ΔU^DY1)]]>下 16)比較所有子陣對(duì)的 和 選擇與最小方差對(duì)應(yīng)的 和 本領(lǐng)域人員熟知，對(duì)于不同形式和不同數(shù)目的聲納陣采用本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，具體公式會(huì)有不同的形式，但實(shí)質(zhì)是相同的。
最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種二維波達(dá)方向估計(jì)聲納信號(hào)處理方法，包括如下步驟1)對(duì)聲納陣基元輸出信號(hào)的相位進(jìn)行修正，所述聲納陣為中心對(duì)稱二維聲納陣；2)計(jì)算聲納陣相關(guān)函數(shù)估計(jì)值；3)對(duì)上述聲納陣相關(guān)函數(shù)估計(jì)值進(jìn)行特征值分解；4)第一求子陣運(yùn)算；5)計(jì)算所有子陣對(duì)的相關(guān)函數(shù)估計(jì)值；6)對(duì)所有子陣對(duì)的相關(guān)函數(shù)估計(jì)值進(jìn)行特征值分解；7)計(jì)算所有子陣對(duì)的特征向量估計(jì)值；8)計(jì)算目標(biāo)對(duì)于x方向和y方向聲納陣的兩個(gè)張角的估計(jì)值，挑選與最小方差對(duì)應(yīng)的兩個(gè)張角估計(jì)值；9)計(jì)算目標(biāo)數(shù)估計(jì)，由步驟6)分別求對(duì)應(yīng)相互垂直的兩坐標(biāo)軸x方向和y方向的目標(biāo)數(shù)，如果兩方向的目標(biāo)數(shù)不等，則停止運(yùn)算，否則繼續(xù)運(yùn)算；10)第二求子陣運(yùn)算；11)求所有二維聲納陣對(duì)應(yīng)的特征向量估計(jì)值；12)計(jì)算各目標(biāo)對(duì)于x方向和y方向聲納陣的兩個(gè)張角的估計(jì)值，挑選與最小方差對(duì)應(yīng)的兩個(gè)張角估計(jì)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述二維波達(dá)方向估計(jì)聲納信號(hào)處理方法，其特征在于，所述步驟1)對(duì)聲納陣基元輸出信號(hào)的相位進(jìn)行修正，具體包括如下步驟(1)由多個(gè)不相關(guān)的信號(hào)源，得到聲納陣的輸出；(2)計(jì)算等效基元間距誤差；(3)由等效基元間距誤差對(duì)聲納陣基元輸出信號(hào)的相位進(jìn)行修正。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述二維波達(dá)方向估計(jì)聲納信號(hào)處理方法，其特征在于，在所述步驟4)中將中心對(duì)稱的二維聲納陣分成分別沿相互垂直的x和y方向的一維聲納陣，每個(gè)一維聲納陣分成多個(gè)子陣對(duì)，每個(gè)子陣對(duì)的子陣包含相同數(shù)量的基元，執(zhí)行求子陣運(yùn)算。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述二維波達(dá)方向估計(jì)聲納信號(hào)處理方法，其特征在于，在所述步驟10)中將二維聲納陣展成一維，按一維聲納陣的方式選擇矩陣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述二維波達(dá)方向估計(jì)聲納信號(hào)處理方法，其特征在于，步驟1)中所述中心對(duì)稱二維聲納陣的形式是矩形、方框形、十字形或圓形，聲納陣的基元數(shù)目在二維對(duì)稱的情形下能增加或減少。
6.一種二維波達(dá)方向估計(jì)聲納信號(hào)處理方法，對(duì)于二維中心對(duì)稱的十字形聲納陣，步驟包括1).對(duì)于有M個(gè)不相關(guān)的信號(hào)源s，得聲納陣輸出x，由下式表示x＝A(α，β)s+n其中 x＝[x1x2……xL]TA＝(α，β)＝[a(α1，β1)……a(αM，βM)]α＝[α1……αM]Tβ＝[β1……βM]Ta(αi,βi)=g(αi,βi)[e-j(L2-1)kdsinβi/2···1,e-jkdsinβi,ej(L1-1)kdsinαi/2,···ejkdsinαi,]]>1,e-jkdsinαi,···,e-j(L1-1)kdsinαi/2,ejkdsinβi,···,ej(L2-1)kdsinβi/2]T]]>s＝[s1……sM]Tn＝[n1……nL]T其中n是零均值的空間白噪聲，g(αi，βi)是基元的指向性系數(shù)，L是基元數(shù)，L1和L2分別是x方向和y方向的基元數(shù)，k是波數(shù)，d為基元間距；2).計(jì)算等效基元間距誤差Δdm，目標(biāo)函數(shù)為F(Δdm,Δθ)=min||θ-θA||F2m=1······L-1]]>其中θA＝[θA1……θAh]，h是測(cè)量次數(shù)，θ是測(cè)得的聲波入射角，Δθ是θ的誤差角，L是聲納陣基元數(shù)，‖·‖F(xiàn)是Frobenius范數(shù)，計(jì)算得滿足上式的Δdm和Δθ；3).計(jì)算聲納陣基元輸出信號(hào)xl的相位修正Δφl(shuí)；Δφl(shuí)＝kΔdlsinθ l＝1……L-1將Δφl(shuí)加在xl的相位上；4).計(jì)算聲納陣相關(guān)函數(shù)估計(jì)值 即R^=1NΣn=1NxnxnH]]>5).對(duì)聲納陣相關(guān)函數(shù)估計(jì)值 進(jìn)行特征值分解R^=AR^sAH+σ2I=U^sΣ^sU^sH+U^nΣ^nU^nH]]>其中 是信號(hào)相關(guān)函數(shù)的估計(jì)值，σ2是噪聲方差的估計(jì)值， 和 分別是信號(hào)的特征向量和特征值的估計(jì)值， 和 分別是噪聲的特征向量和特征值的估計(jì)值；上標(biāo)H表示共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算；6).第一求子陣運(yùn)算；將二維十字聲納陣分成x和y方向的一維聲納陣，相應(yīng)的基元數(shù)分別為L(zhǎng)1和L2，相應(yīng)的輸出為w和v，執(zhí)行下列求子稱運(yùn)算，得到子陣對(duì)x方向 y方向 輸出w由下式表示w＝A(α)s+n其中w=[w1w2······wL1]T]]>A(α)＝[α(α1)……α(αM)]α＝[α1……αM]Ta(αi)=g(αi)[ej(L1-1)kdsinαi/2,···,ejkdsinαi,1,e-jksinαi,···,e-j(L1-1)kdsinαi/2]T]]>s＝[s1……sM]Tn=[n1······nL1]T]]>輸出v由下式表示v＝A(β)s+n其中v=[v1v2······vL2]T]]>A(β)＝[α(β1)……α(βM)]β＝[β1……βM]Ta(βi)=g(βi)[e-j(L2-1)kdsinβi/2,···,e-jkdsinβi,1,ejkdsinβi,···,e-j(L2-1)kdsinβi/2]T]]>s＝[s1……sM]Tn=[n1······nL2]T]]>7).計(jì)算所有子陣對(duì)相關(guān)函數(shù)估計(jì)值，公式如下R^W=1NΣn=1NwwH]]>R^V=1NΣn=1NvnvnH]]>8).對(duì)所有子陣對(duì)的 和 進(jìn)行特征值分解R^1=A(α)R^s1A(α)H+σ2I=U^s1Σ^s1Us1H+U^nΣ^nU^n]]>R^2=A(β)R^s2A(β)H+σ2I=U^s2Σ^s2U^s2+U^nΣ^nU^n]]>其中下標(biāo)s1和s2分別表示x和y方向的子陣；9).計(jì)算所有子陣對(duì)的特征向量估計(jì)值U^s11=J1U^s1]]>U^s12=J2U^s1]]>U^s21=J3U^s2]]>U^s22=J4U^s2]]>10).計(jì)算所有張角的估計(jì)值 和 在約束條件(U^s12+ΔU^s12)∈range(U^s11+ΔU^s11)]]>下 在約束條件(U^s21+ΔU^s21)∈range(U^s22+ΔU^s22)]]>下 其中 和 分別是 和 的誤差。11)比較所有子陣對(duì)的 和 挑選與最小方差對(duì)應(yīng)的 和 12)目標(biāo)數(shù)估計(jì)；由步驟8)分別求目標(biāo)的個(gè)數(shù) i＝1…I， i＝1…J，如果I≠J，則停止運(yùn)算，否則繼續(xù)運(yùn)算；13)第二求子陣運(yùn)算，將十字聲納陣展開(kāi)成一維，按一維聲納陣的方式得選擇矩陣，獲得子陣對(duì)；14)計(jì)算所有二維十字聲納陣對(duì)應(yīng)的特征向量估計(jì)值U^DX1=JDX1U^s]]>U^DX2=JDX2U^s]]>U^DY=JDY1U^s]]>U^DY2=JDY2U^s]]>15)求所有張角的估計(jì)值 和 在約束條件(U^DX2+ΔU^DX2)∈range(U^DX1+ΔU^DX1)]]>下 在約束條件(U^DY2+ΔU^DY2)∈range(U^DY1+ΔU^DY1)]]>下 16)比較所有子陣對(duì)的 和 選擇與最小方差對(duì)應(yīng)的 和
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種二維波達(dá)方向估計(jì)聲納信號(hào)處理方法，包括1)修正基元輸出信號(hào)的相位；2)求聲納陣相關(guān)函數(shù)估計(jì)值；3)對(duì)聲納陣相關(guān)函數(shù)估計(jì)值進(jìn)行特征值分解；4)第一求子陣運(yùn)算；5)求所有子陣對(duì)的相關(guān)函數(shù)估計(jì)值；6)對(duì)所有子陣對(duì)的相關(guān)函數(shù)估計(jì)值進(jìn)行特征值分解；7)求所有子陣對(duì)的特征向量估計(jì)值；8)求目標(biāo)對(duì)于聲納陣兩個(gè)方向的張角的估計(jì)值，挑選與最小方差對(duì)應(yīng)的兩個(gè)張角估計(jì)值；9)求目標(biāo)數(shù)估計(jì)；10)第二求子陣運(yùn)算；11)求所有二維聲納陣對(duì)應(yīng)的特征向量估計(jì)值；12)求各目標(biāo)對(duì)于聲納陣兩個(gè)方向的張角的估計(jì)值，挑選與最小方差對(duì)應(yīng)的兩個(gè)張角估計(jì)值。本發(fā)明能正確判定目標(biāo)數(shù)、獲得更高分辨率的目標(biāo)三維聲像。
文檔編號(hào)G01S15/00GK101051083SQ200610072718
公開(kāi)日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2006年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月7日
發(fā)明者朱維慶, 劉曉東, 張方生, 陳強(qiáng), 劉光軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所