[發(fā)明專利]一種實時頻域超分辨方位估計方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910080399.8
• 申請日: 2009-03-20
• 公開（公告）號: CN101644773A
• 公開（公告）日: 2010-02-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 田彪;李宇;黃海寧
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所
• 主分類號: G01S15/06
• 分類號: G01S15/06
• 代理公司: 北京法思騰知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 楊小蓉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于聲納數(shù)字信號處理領(lǐng)域，特別涉及一種實時頻域超分辨方位估計方法及裝置。?

背景技術(shù)

聲納數(shù)字信號處理的一個基本問題就是方位估計，即確定感興趣的空間信號的方向，又稱目標測向。高分辨方位估計，它是指采用某種算法，對陣列接受到的目標輻射或反射的時空二維信號進行處理，從而得到目標方位的高分辨估計。超分辨方位估計技術(shù)能超越傳統(tǒng)高分辨技術(shù)性能，在聲納、雷達及通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。?

目前典型的用于聲納的高分辨方位估計算法有：Capon法、窄帶二維頻域波束形成法、MUSIC(多重信號分類)法、自適應(yīng)波束形成法以及ESPRIT(旋轉(zhuǎn)不變量信號參數(shù)估計方法)法。?

其中，窄帶二維頻域波束形成法(可參考文獻：“孫長瑜等，二維頻域波束形成方法，應(yīng)用聲學(xué)，1995”)，是指在窄帶目標信號輸入的條件下，在時域和空間域?qū)斎腙嚵袛?shù)據(jù)進行FFT(快速傅立葉變換)，從而在頻域得到波束形成。所述窄帶二維頻域波束形成法相對于Capon法等其它幾種典型方法，具有計算高效、快速，便于DSP工程實現(xiàn)，能實現(xiàn)實時處理等優(yōu)點。所述窄帶二維頻域波束形成法的缺點是：只能處理窄帶信號，與測向時經(jīng)常遇到的寬帶信號不匹配，實用性差。?

ESPRIT法(可參考文獻：“Roy?R等，ESPRIT-A?Subspace?Rotation?approach?toestimation?of?parameters?of?cissoids?in?noise，IEEE?Trans.ASSP，1986”)，是指一種利用陣列傳感器分組所得的信號子空間中隱含的旋轉(zhuǎn)不變量實現(xiàn)測量來波方向的方法。子空間的不變量是通過建立自相關(guān)和互相關(guān)矩陣來實現(xiàn)的。將原陣列分解為兩個子陣，通過最小二乘(Least?Square，LS)或總體最小二乘(Total?Least?Square，TLS)擬合來估計子陣列的相移矩陣，從而得到目標信號方位估計。所述ESPRIT法的缺陷是：在計算中涉及元素間互相關(guān)值的估計時，由于環(huán)境的不確定性，噪聲方差值的估計經(jīng)常不準確，所以從自相關(guān)和互相關(guān)矩陣中扣除估得的噪聲方差有時會出現(xiàn)致命錯誤，從而造成系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，實用性能較差。?

除此以外，近年來，由于現(xiàn)代信號處理理論的迅速發(fā)展，高階累積量、時-頻分析、小波分析、循環(huán)平穩(wěn)信號分析與處理等理論和方法在水下目標方位估計中也得?到了廣泛的研究，但這些方法要么計算量巨大，系統(tǒng)難以負荷，要么穩(wěn)健性不高，難以在實際的應(yīng)用中得到采用。?

總體而言，由于聲納工作環(huán)境的惡劣性(噪聲模型易失配，海洋傳播信道的復(fù)雜，陣形易失配，信噪比低等)，以上算法在現(xiàn)階段的實際應(yīng)用中，效果不是很理想，實際應(yīng)用中迫切需要一種既能快速實現(xiàn)又具有高精度的方位估計方法及裝置。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決現(xiàn)有技術(shù)中計算速度慢、穩(wěn)健性差、難以處理寬帶目標信號及分辨力不高的問題，提供一種用于線列陣的快速穩(wěn)健的高精度的方位估計方法及裝置。本發(fā)明可以擴展到平面陣等其它接收陣。?

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的實時頻域超分辨方位估計方法包括以下步驟：?

1)對線列陣進行劃分，得到M₁個子陣，所述M₁至少為2；?

2)對每個子陣的時空二維信號分別進行波束形成，得到每個子陣在掃描方位上的輸出波束；?

3)在掃描方位上對各子陣的輸出波束進行代數(shù)組合得到多子陣合成處理后的波束。?

上述技術(shù)方案中，還包括步驟4)在波束域內(nèi)通過能量檢測器掃描得到目標方位。?

上述技術(shù)方案中，所述步驟1)中，所述子陣可以是對單個線列陣在邏輯上進行分割得到的，也可以是物理上區(qū)隔的多個單陣。?

上述技術(shù)方案中，所述步驟1)包括如下子步驟：?

11)在探測角度和探測頻帶內(nèi)，對任意角度任意頻點產(chǎn)生頻率-波數(shù)網(wǎng)格；?

12)產(chǎn)生子陣間延時表，所述子陣間延時表記錄子陣間每個頻點位置在每個掃描角下的延時。?

上述技術(shù)方案中，所述步驟2)中，所述輸出波束可以是時間-方位數(shù)據(jù)矩陣，也可以是頻率-方位數(shù)據(jù)矩陣。?

上述技術(shù)方案中，所述步驟2)包括如下子步驟：?

21)用各子陣接收時空二維信號，對各子陣進行波束形成處理，所述波束形成處理包括步驟22)至25)；?

22)對子陣的各陣元上的接收數(shù)據(jù)在時間域上做快速傅立葉變換，獲得各陣元的頻域數(shù)據(jù)；?