專利名稱：基于數(shù)據(jù)重構(gòu)的寬帶相干源的方位估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種陣列信號處理方法。具體地說是一種目標(biāo)方位估計(jì)方法。
背景技術(shù)：
基于高分辨算法的陣列信號處理技術(shù)一直是科研的熱點(diǎn)，而由于海洋環(huán)境的變化性以及水聲信道的復(fù)雜性，許多經(jīng)典的子空間類高分辨算法失去了其原有的優(yōu)勢，可靠性下降，實(shí)用性變差。最小方差無畸變波束形成(MVDR)算法能夠提供最佳的信號保護(hù)、干擾消除和噪聲降低能力，更適用于海洋環(huán)境。在實(shí)際的海洋環(huán)境中，聲納接收寬帶信號的情況越來越多，寬帶信號因其具有目標(biāo)回波攜帶信息量大、混響背景相關(guān)性弱、有利于目標(biāo)檢測、參量估計(jì)和目標(biāo)特征提取等特點(diǎn)，也在陣列信號處理領(lǐng)域中扮演日益重要的角色。隨著科技的發(fā)展，寬帶信號在移動通信、無線網(wǎng)路等和我們生活密切相關(guān)的多個方面中發(fā)揮著重要的作用。傳統(tǒng)的寬帶相干源解相干技術(shù)需要進(jìn)行方向預(yù)估，其性能受預(yù)估方位的影響，因此空間重采樣等方法被陸續(xù)提出。文獻(xiàn)[1] [2]介紹了無需方向預(yù)估的寬帶信號處理方法，文獻(xiàn)[3]給出了一種適用于MVDR算法的更優(yōu)越的子帶分解方法。本發(fā)明結(jié)合文獻(xiàn)[I] [2]的優(yōu)點(diǎn)并予以改進(jìn)，可以獲得更好的寬帶相干源方位估計(jì)性能。與本發(fā)明相關(guān)的參考文獻(xiàn)包括[1]朱維杰，孫進(jìn)才.基于陣列接收數(shù)據(jù)重采樣的頻率不變波束形成器[J].自然科學(xué)進(jìn)展，2002，12 (6) =669-672 ；[2]朱維杰，孫進(jìn)才.基于快速傅里葉變換插值的寬帶信號方位估計(jì)[J].聲學(xué)學(xué)報，2002，27 (6) :513-517 ；[3]Biao Jiang, Ye Zhu, Changyu Sun. DOA estimation of wideband sourcesusing a constant-Q subband coherent MVDR method[C]//7th InternationalConference on Signal Processing Proceedings. Beijing，China，2004 :2437_2440o

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠在高信噪比和小快拍數(shù)下具有穩(wěn)定性能的基于數(shù)據(jù)重構(gòu)的寬帶相干源的方位估計(jì)方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的(1)利用恒定相對帶寬方法對寬帶陣列接收數(shù)據(jù)進(jìn)行子帶分解，并與FFT分段疊加子帶分解進(jìn)行比較；(2)選取寬帶信號的最低頻率作為聚焦頻率，利用空間數(shù)據(jù)重構(gòu)公式將各子帶數(shù)據(jù)聚焦到同一頻率；(3)計(jì)算聚焦后的各子帶數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，利用矩陣共軛重排原理改進(jìn)協(xié)方差矩陣，將改進(jìn)后的各子帶數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣取均值，作為最終的協(xié)方差矩陣；(4)將最終的協(xié)方差矩陣?yán)肕VDR算法進(jìn)行空間譜估計(jì)，得到寬帶相干源的方位信息。本發(fā)明運(yùn)用恒定相對帶寬方法將接收數(shù)據(jù)進(jìn)行子帶分解，然后將時域的數(shù)據(jù)重構(gòu)引入空間陣元域數(shù)據(jù)，結(jié)合矩陣共軛重排方法，提出一種基于數(shù)據(jù)重構(gòu)的寬帶相干源MVDR算法，不僅在低信噪比和少快拍數(shù)下有更高的角度分辨率，并且無需對角加載等處理即可克服高信噪比條件下MVDR算法的不穩(wěn)定性，具有更優(yōu)越的方位估計(jì)性能。


圖I為16元均勻線列陣，兩個相干入射信號的中心頻率f0 = 800Hz，相對帶寬為50%，入射角度分別為0°、8 。，采樣頻率Fs = 10f0，快拍數(shù)為1000，信噪比為15dB時，采用FFT分段疊加子帶分解方法，選取20個子帶，基于FFT插值法獲得的MVDR方位譜圖。圖2為16元均勻線列陣，兩個相干入射信號的中心頻率f0 = 800Hz，相對帶寬為50%，入射角度分別為0°、8。，采樣頻率Fs = 10f0，快拍數(shù)為1000，信噪比為15dB時，采用恒定相對帶寬子帶分解方法，選取12個子帶，基于FFT插值法獲得的MVDR方位譜圖。圖3為16元均勻線列陣，兩個相干入射信號的中心頻率f0 = 800Hz，相對帶寬為50%，入射角度分別為0°、8°，采樣頻率Fs = 10f0，快拍數(shù)為1000，信噪比為IOdB時，基于FFT插值法獲得的MVDR方位譜圖。圖4為相同條件下，信噪比為50dB時，基于FFT插值法獲得的MVDR方位譜圖。圖5為入射角度分別為0°、6°，信噪比為10dB，快拍數(shù)為1000時，基于FFT插值法獲得的MVDR方位譜圖。圖6為入射角度分別為0°、6° ,信噪比為IOdB,快拍數(shù)為1000時,基于數(shù)據(jù)重構(gòu)法獲得的MVDR方位譜圖。圖7為入射角度分別為0°、6°，信噪比為50dB，快拍數(shù)為1000時，基于FFT插值法獲得的MVDR方位譜圖。圖8為入射角度分別為0°、6° ,信噪比為50dB,快拍數(shù)為1000時,基于數(shù)據(jù)重構(gòu)法獲得的MVDR方位譜圖。圖9為入射角度分別為0°、6°，信噪比為20dB，快拍數(shù)為500時，基于FFT插值法獲得的MVDR方位譜圖。圖10為入射角度分別為0°、6° ,信噪比為20dB,快拍數(shù)為500時,基于數(shù)據(jù)重構(gòu)法獲得的MVDR方位譜圖。圖11為該發(fā)明方法的整體流程框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述I.設(shè)有M個陣元組成的陣列，接收P個位于遠(yuǎn)場的寬帶平穩(wěn)隨機(jī)信號，當(dāng)存在加性噪聲時，第m個陣元接收到的信號可以表示為
p^(0 = YjsP^(dP)]+ nm(0(!)
產(chǎn)I其中m= 1，2 ，M，sp (t)表示第p個信號源，nffl(t)表示第m個陣元上的加性噪聲，ep表示第P個信號的方位角，Tm(0p)表示第m個陣元接收的第P個信號(相對于參考點(diǎn))的傳播延遲.在均勻線列陣中Tm(0p) = (m-l)d .Sin(Qp)A^d為陣元間距，c為聲速。設(shè)接收數(shù)據(jù)x(t) = [xi(t)，x2(t)， ，xM(t)]T經(jīng)離散化后變成MXN的矩陣，N為數(shù)據(jù)長度，采樣頻率為fs，將其進(jìn)行N點(diǎn)FFT得到MXN頻域數(shù)據(jù)X(f)?？杀硎緸?br> 權(quán)利要求
1.一種基于數(shù)據(jù)重構(gòu)的寬帶相干源的方位估計(jì)方法，其特征是包括如下步驟 (1)對寬帶陣列接收數(shù)據(jù)進(jìn)行子帶分解； (2)選取寬帶信號的最低頻率作為聚焦頻率，利用空間數(shù)據(jù)重構(gòu)公式將各子帶數(shù)據(jù)聚焦到同一頻率； (3)計(jì)算聚焦后的各子帶數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，利用矩陣共軛重排原理改進(jìn)協(xié)方差矩陣，將改進(jìn)后的各子帶數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣取均值，作為最終的協(xié)方差矩陣； (4)將最終的協(xié)方差矩陣?yán)肕VDR算法進(jìn)行空間譜估計(jì)，得到寬帶相干源的方位信肩、O
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于數(shù)據(jù)重構(gòu)的寬帶相干源的方位估計(jì)方法，其特征是所述對寬帶陣列接收數(shù)據(jù)進(jìn)行子帶分解是利用恒定相對帶寬子帶分解方法，具體步驟如下 ①接收數(shù)據(jù)x(t)= [xi(t),x2(t), ，xM(t)]T經(jīng)離散化后變成MXN的矩陣，N為數(shù)據(jù)長度，采樣頻率為fs，將其進(jìn)行N點(diǎn)FFT得到MXN頻域數(shù)據(jù)X (f)； ②K為分解的子帶數(shù)目，選取相對帶寬值Q，則
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于數(shù)據(jù)重構(gòu)的寬帶相干源的方位估計(jì)方法。(1)對寬帶陣列接收數(shù)據(jù)進(jìn)行子帶分解；(2)選取寬帶信號的最低頻率作為聚焦頻率，利用空間數(shù)據(jù)重構(gòu)公式將各子帶數(shù)據(jù)聚焦到同一頻率；(3)計(jì)算聚焦后的各子帶數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，利用矩陣共軛重排原理改進(jìn)協(xié)方差矩陣，將改進(jìn)后的各子帶數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣取均值，作為最終的協(xié)方差矩陣；(4)將最終的協(xié)方差矩陣?yán)肕VDR算法進(jìn)行空間譜估計(jì)，得到寬帶相干源的方位信息。本發(fā)明不僅在低信噪比和少快拍數(shù)下有更高的角度分辨率，并且無需對角加載等處理即可克服高信噪比條件下MVDR算法的不穩(wěn)定性，具有更優(yōu)越的方位估計(jì)性能。
文檔編號G01S13/06GK102621527SQ20121007351
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月20日
發(fā)明者卞紅雨, 張志剛, 沈鄭燕, 王珺琳 申請人:哈爾濱工程大學(xué)