一种基于自适应波束合成的频域非失真听音方法

1.本发明属于水声工程领域，涉及一种基于自适应波束合成的频域非失真听音方法。


背景技术：

2.听音是声纳员检测、识别水下目标的一种重要手段。为了实现对目标噪声的跟踪听测，一般要经过一系列信号处理，例如波束形成(田坦，刘国枝，孙大军.声纳技术[m].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2000)、目标方位提取、阵元信号合成(王世一.数字信号处理[m].北京：北京理工大学出版社，2006)等。目前，我国声纳的听音信号主要是基于常规时域波束形成的输出结果，其在多目标，噪声大的环境下的听音性能有待进一步完善(姜斌.圆阵宽带高分辨自适应波束形成技术研究[d].青岛：海军潜艇学院，2009)。
[0003]
声纳波束形成是听音波束合成中最基础的一步，其结果关系到目标测向是否准确，进而影响听音检测和识别效果。常规波束形成(cbf)是目前最常用的波束形成方法(杜选民，周胜增，高源.声纳阵列信号处理技术[m].北京：电子工业出版社，2017)，其主要是对水听器接收到的信号进行时延或相移处理后叠加，经过波束扫描从而获得目标方位信息。
[0004]
不过，由于受到瑞利限的影响，cbf方法存在方位估计精度低、分辨能力有限的问题。capon提出的最小方差无失真响应算法(mvdr)是一种自适应波束形成方法，可根据噪声、干扰和路径等情况自适应调整权值矢量，相较于cbf方法具有更好的方位分辨能力和更强的干扰抑制能力。不过mvdr技术在短数据条件下的方位估计性能有限(王良.时域解析信号的自适应波束形成方法研究[d].青岛：中国海洋大学，2009)，并且基于传统mvdr技术进行听音波束合成时，由于频域分段处理，存在听音信号失真的现象。


技术实现要素：

[0005]
针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于自适应波束合成的频域非失真听音方法，该方法基于快速频域最小方差无失真响应算法(ffmvdr)，可以有效改善mvdr方法在短数据条件下的方位估计性能，同时保证听音波束合成过程的非失真性，从而提升利用声纳阵列进行听音波束合成的能力。
[0006]
本发明的技术方案，包括以下步骤：
[0007]
步骤一：通过采集设备获取声纳m路n点阵元域数据，其中，n≥32m且为2的整次幂；
[0008]
步骤二：将数据分为p个片段，每次对1个片段进行处理：将第p个片段的m路信号xm(n)，m＝1，2，...m，n＝1,2，...n做n点的傅里叶变换(fft)，将其转换到频域，取对应滤波截止频率范围[n
l
,nh]内的数据；
[0009]
x(fn)＝fft[x(n)]；
[0010]
步骤三：ffmvdr自适应波束形成提取目标方位：
[0011]
首先将步骤二所得数据对应的频点乘以对应相位差exp(j
·
2π
·fn
·
τm(θi))；
[0012]
y(fn)＝x(fn)exp[j2πfnτm(θi)]；
[0013]
式中，τm(θi)是第i个信号源到达第m号阵元相对于参考阵元的时间延迟，它只和目标信号所处的方位有关；
[0014]
然后构建协方差矩阵
[0015][0016]
接着由协方差矩阵计算输出功率p(θi)：
[0017][0018]
最后根据输出功率p(θi)的最大值位置确定目标方位；
[0019]
步骤四：根据步骤三得到的方位，计算该方位上波束的权矢量：
[0020][0021]
式中，α(θ)＝exp(j
·
2π
·f·
τm(θ))是对应阵型的方向矢量；
[0022]
步骤五：将步骤二得到的数据乘以步骤四得到的权矢量，反傅里叶变换后取实部得到第p片段的输出信号：
[0023]
s＝real[ifft(whx)]；
[0024]
步骤六：将每个片段输出信号三角窗加权后进行滑动平均，然后将所有p个片段的滑动平均结果首尾相连，得到最终听音波束合成结果s'：
[0025][0026]
s'＝[s1,s2,
…
,s
p
,
…
,s
p
]；
[0027]
式中，s
p,k
为第p个片段信号的第k个点，wk为三角窗函数的加权系数。
[0028]
本发明的优点：
[0029]
本发明利用ffmvdr自适应算法提高声纳的目标方位估计性能，并且在听音信号的合成过程中考虑了权矢量对于听音信号的影响，可有效实现声纳波束合成的非失真听音，具有重要的应用价值。经过比对测试，本发明的方法可有效实现声纳非失真自适应波束合成听音。
附图说明
[0030]
图1是基于自适应波束合成的频域非失真听音方法流程图。
[0031]
图2是基于cbf与基于自适应波束形成的听音波束合成结果对比图。
[0032]
其中，(a)自适应波束形成算法的听音通道波束信号(单频)；
[0033]
(b)cbf算法的听音通道波束信号(单频)；
[0034]
(c)自适应波束形成算法的听音通道波束信号(宽带)；
[0035]
(d)cbf算法的听音通道波束信号(宽带)。
具体实施方式
[0036]
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，以下所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]
实施例1：
[0038]
如图1所示，为本发明的流程图。以下实施例1中的信号为通过仿真方式生成。
[0039]
步骤一：仿真信号分别为频率为2khz的单频实数信号和色噪声(2-6khz)，采样频率40khz。自适应波束形成算法滤波频段为1-9khz，拍长为1024点。
[0040]
步骤二：将数据分为p个片段，每次对1个片段进行处理：将离散化的第p段听音实数信号做n点的傅里叶变换，将其转换到频域，并取滤波截止频率范围内的数据：
[0041]
x(fn)＝fft[x(n)]；
[0042]
步骤三：ffmvdr自适应波束形成提取目标方位：
[0043]
首先将步骤二所得数据对应的频点乘以对应相位差exp(j
·
2π
·fn
·
τm(θi))；
[0044]
y(fn)＝x(fn)exp[j2πfnτm(θi)]
[0045]
式中，τm(θi)是第i个信号源到达第m号阵元相对于参考阵元的时间延迟，它只和目标信号所处的方位有关。
[0046]
然后构建协方差矩阵
[0047][0048]
接着由协方差矩阵计算输出功率p(θi)：
[0049][0050]
最后根据输出功率p(θi)的最大值位置确定目标方位。
[0051]
步骤四：根据步骤三得到的方位，计算该方位上波束的权矢量：
[0052][0053]
式中，α(θ)＝exp(j
·
2π
·f·
τm(θ))是对应阵型的方向矢量。
[0054]
步骤五：将步骤二得到的数据乘以步骤四得到的权矢量，反傅里叶变换后取实部得到第p片段的输出信号：
[0055]
s＝real[ifft(whx)]
[0056]
步骤六：将每个片段输出信号三角窗加权后进行滑动平均，然后将各片段的滑动平均结果首尾相连，得到最终听音波束合成结果s'。
[0057][0058]
s'＝[s1,s2,
…
,s
p
,
…
,s
p
]
[0059]
式中，s
p,k
为第p个片段信号的第k个点，wk为三角窗函数的加权系数。
[0060]
对比分析了窄带与宽带条件下基于cbf、自适应波束形成的听音波束合成结果，如图2所示。从图2(a)、2(b)中可以看出，对于单频信号的听音结果，自适应波束形成算法听音通道的输出波形与原始信号几乎完全重合，两者之间的相关系数为1，略优于cbf听音结果，证明了所提出算法对单频信号听音的非失真性；从图2(c)、2(d)中可以看出，对于宽带信号的听音结果，自适应波束形成算法听音通道的输出波形与原始信号保持了较好的一致性，相关系数在0.8以上，略优于cbf听音结果，证明了所提算法对宽带信号听音具有较好的保真性。
[0061]
对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。