CN110703198A - 基于频率挑选的四元十字阵包络谱估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于频率挑选的四元十字阵包络谱估计方法，解决了干扰条件下舰船辐射噪声的包络谱提取不准的问题，属于舰船目标信号参数估计领域。本发明基于四元十字阵和罗经实现，四元十字阵布放在水下位置，罗经设置在四元十字阵正下方，罗经的北向由中心指向四元十字阵的第一阵元，罗经与四元十字阵刚性连接，实时监测四元十字阵的航向，根据罗经测量的四元十字阵的水平转向角对两个互功率谱分别进行修正，从而实现长时间的观测信号的高精度方位估计。利用四元十字阵对信号进行方位估计，利用方位的直方图统计结果估计信号的频率成分，从而将其从其余干扰的频率成分分离出来，可以精确获得用于包络谱估计的目标信号的频率成分。
Description
技术领域
本发明主要涉及基于频率挑选的四元十字阵包络谱估计方法，属于舰船目标信号参数估计领域。
背景技术
包络谱特征是舰船目标识别的主要依据。舰船包络谱特征的提取方法主要有绝对值法、平方法等。包络谱特征提取的性能主要取决于分析频带内舰船目标辐射噪声的信噪比。因此如何对船辐射噪声信号进行频带的优选，设计相应滤波器得到高信噪比的目标信号进行包络谱分析成为获得清晰包络谱的关键。此外，当接收船辐射噪声存在其他方向的船噪声干扰时，包络谱特征提取性能急剧下降或者难以与目标对应。
发明内容
为了解决干扰条件下舰船辐射噪声的包络谱提取不准的问题，本发明提供一种基于频率挑选的四元十字阵包络谱估计方法。
本发明的一种基于频率挑选的四元十字阵包络谱估计方法，所述方法基于四元十字阵和罗经实现，四元十字阵布放在水下位置，罗经设置在四元十字阵正下方，罗经的北向由中心指向四元十字阵的第一阵元，罗经与四元十字阵刚性连接，四元十字阵的四个水听器用于同步采集目标的声信号，所述方法包括：
S1、四个水听器接收声信号，将四元十字阵的四个通道输出的信号转换为数字信号，将四个通道的数字信号分成M段，每段长度为N；
S2、将四个通道的数字信号进行加窗，并进行离散傅立叶变换，获得四个通道的频谱值；
S3、将四个通道的频谱值中位于四元十字阵中同一个坐标轴上的两个通道的频谱值进行互谱，进而得到两个互功率谱；
S4、根据罗经测量的四元十字阵的水平转向角对两个互功率谱分别进行修正，得到修正后的正北方向互功率谱和正东方向的互功率谱；
S5、对M段的正北方向互功率谱和正东方向的互功率谱分别进行积分求和，分别得到积分求和后的正北方向互功率谱和正东方向互功率谱；
S6、根据S5积分求和获得的正北方向互功率谱和正东方向互功率谱，求每个频率值下的方位，将相同方位对应的功率相加，得到各方位的功率谱，选择各方位的功率谱中最大值对应的方位为目标方位，提取目标方位的频谱；
S7、根据目标方位的频谱设计有限冲激响应滤波器；
S8、对四元十字阵的一个水听器接收的信号为x1(n)利用S7所设计滤波器进行滤波，将滤波后的信号xfir(n)取绝对值，将取绝对值的结果|xfir(n)|通过低通滤波器，得到低频分量xLPF(n)，将低频分量xLPF(n)进行傅里叶变换，得到功率谱Xθ(f)；
S9、根据功率谱Xθ(f)，得到θ方位上目标信号的包络谱Sθ(f)。
作为优选，所述S4中修正后的正北方向互功率谱P′N(k)和正东方向的互功率谱P′E(k)：
其中，P11(k)表示四元十字阵中任意通道信号的自功率谱，j表示虚部，
为P13(k)的相位，P13(k)表示四元十字阵第1通道和第3通道信号的互功率谱，
为P24(k)的相位，P24(k)表示四元十字阵第2通道和第4通道信号的互功率谱，k表示频率值。
作为优选，所述S2中，将四个通道的数字信号进行加窗，获得：
x1(n)＝s1(n)w(n)，
x2(n)＝s2(n)w(n)，
x3(n)＝s3(n)w(n)，
x4(n)＝s4(n)w(n)，
s1(n)、s2(n)、s3(n)和s4(n)分别表示四个通道的数字信号，其中w(n)为窗函数，所述窗函数为矩形窗、汉宁窗或汉明窗。
作为优选，所述S3中，得到两个互功率谱分别为：
式中，X1(k)表示四元十字阵的第1通道信号傅里叶变换后的频谱值，X2(k)表示四元十字阵第2通道信号傅里叶变换后的频谱值，X3(k)表示四元十字阵第3通道信号傅里叶变换后的频谱值，X4(k)表示四元十字阵第4通道信号傅里叶变换后的频谱值，k表示频率值，H表示复共轭。
作为优选，
其中，
N表示信号长度，f表示频率变量。
本发明的有益效果，本发明利用四元十字阵估计基阵坐标系下目标的相对方位，罗经与四元十字阵刚性连接，可以实时监测四元十字阵的航向，从而实现长时间的观测信号的高精度方位估计。为实现本发明的目的，要求四元十字阵对信号进行方位估计，利用方位的直方图统计结果估计信号的频率成分，从而将其从其余干扰的频率成分分离出来，可以精确获得用于包络谱估计的目标信号的频率成分。
附图说明
图1为四元十字阵阵型图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施方式的四元十字阵布放在水下约20米深的位置。如图1所示，四元十字阵由4个在同一平面的水听器组成，在此平面内由以四元十字阵中心为原点定义左手直角坐标系，四个阵元的位置分别是：阵元1(α,0)，阵元2(0,α)，阵元3(-α,0)，阵元4(0,-α)，2a为对角阵元的距离。四元十字阵的正下方安装有一个罗经，罗经的北向由中心指向阵元1，罗经与四元十字阵刚性连接。四元十字阵的四个水听器用于同步采集目标的声信号，
本实施方式的基于频率挑选的四元十字阵包络谱估计方法，包括：
S1、四个水听器接收目标的声信号，将四元十字阵的四个通道输出的信号转换为数字信号；将每个通道的数字信号分成M段，每段长度为N，M和N均为正整数；
S2、将四个通道的数字信号进行加窗，并进行离散傅立叶变换，傅里叶变换点数由分析带宽确定，获得四个通道的频谱值；
S3、对两轴上的互谱结合罗经信息补偿到北向和东向两轴上：
将四个通道的频谱值中位于四元十字阵中同一个坐标轴上的两个通道的频谱值进行互谱，进而得到两个互功率谱；
S4、根据罗经测量的四元十字阵的水平转向角对两个互功率谱分别进行修正，得到修正后的正北方向互功率谱和正东方向的互功率谱；
S5、对M段不同时间的补偿后互谱进行累计：
对M段的正北方向互功率谱和正东方向的互功率谱分别进行积分求和，分别得到积分求和后的正北方向互功率谱和正东方向互功率谱；
S6、根据S5积分求和获得的正北方向互功率谱和正东方向互功率谱，求每个频率值下的方位，对不同频点上的目标信号，将相同方位对应的功率相加，进行直方图统计，得到各方位的功率谱，选择各方位的功率谱中最大值对应的方位为目标方位，提取目标方位的频谱，得到多子带构成的信号通频带；
S7、根据信号通频带，利用窗函数法设计一个有限冲激响应滤波器；
S8、对四元十字阵的一个水听器接收的信号为x1(n)利用S7所设计滤波器进行滤波，将滤波后的信号xfir(n)取绝对值，将取绝对值的结果|xfir(n)|通过低通滤波器，得到低频分量xLPF(n)，将低频分量xLPF(n)进行傅里叶变换，得到功率谱Xθ(f)；
S9、根据功率谱Xθ(f)，得到θ方位上目标信号的包络谱Sθ(f)。
本实施方式采用韦尔奇法计算绝对值后的信号的功率谱，取低于50Hz的低频段的线谱，判定为目标信号的包络谱。
本实施方式的具体计算过程为：
四个水听器接收信号用模数变换器采样得到s1(n)，s2(n)，s3(n)，s4(n)四路信号，n为样本点的序号。对信号进行加窗处理后得到
x1(n)＝s1(n)w(n) (1)
x2(n)＝s2(n)w(n) (2)
x3(n)＝s3(n)w(n) (3)
x4(n)＝s4(n)w(n) (4)
w(n)为窗函数，可以选择为矩形窗，汉宁窗，汉明窗等。矩形窗定义为：
矩形窗：
汉宁窗：
汉明窗：
N为窗函数的长度。加窗后的信号长度也是N。
求离散傅立叶变换：
X1(k)表示四元十字阵的第1通道信号傅里叶变换后的频谱值，X2(k)表示四元十字阵的第2通道信号傅里叶变换后的频谱值，X3(k)表示四元十字阵的第3通道信号傅里叶变换后的频谱值，X4(k)表示四元十字阵的第4通道信号傅里叶变换后的频谱值，k表示频率值。
在分析频带内求互谱：
其中H表示复共轭。P13(k)表示通道1和通道3信号的互功率谱，P24(k)表示通道2和通道4信号的互功率谱。
结合罗经测量得到的基阵的水平转向角θc对互谱进行修正。
这里P′N(k)表示旋转后的正北方向互谱，这里P11(k)表示通道1信号的自功率谱，j为虚数符号，
为P13(k)的相位，
为P24(k)的相位，P′E(k)为旋转后的正东方向的互谱。
信号观测时间包括M段长度为N的信号，对每段时间信号求得的罗经修正后的互谱
和
进行积分求和得正北方向互谱
和正东方向的互谱
表示第m段信号求得的罗经修正后的正北方向互谱，
表示第m段信号求得的罗经修正后的正东方向互谱。
利用积分后的互谱
和在每个频率值k求方位：
这里Arg(·)表示求复数的辐角主值。表示复数。
和
分别是
和
的辐角。
S(θ)＝∑P11(k) (16)
S(θ)表示θ方向的功率谱，所有方向的功率谱构成了目标信号空间谱特性，取S(θ)最大值处对应的方位θ为目标方位θT
从直方图中提取目标方位θT的频谱
根据频率响应
采用窗函数法设计阶数为N的FIR滤波器，得到滤波器响应为h(n)。
作为示例，不妨假设四元十字阵的一个水听器接收的信号为x1(n)表示为
x1(n)＝C(1+sin 2πf2n)cos 2πf1n(19)
其中C为信号幅度，f2为θ方向上的目标信号的频率，f1为其他方向上的信号的频率。
将信号x1(n)通过构造的FIR滤波器进行滤波，得到滤波后结果xfir(n)
滤波后的结果xfir(n)为θ方向上的目标信号。其中，表示卷积，滤波过程可视为信号x1(n)与滤波器响应h(n)的卷积，具体为
xfir(n)为θ方向上的目标信号与该方向上的噪声，可表示为
xfir(n)＝C(1+sin2πf2n)cos 2πf1n(22)
其中C为信号幅度，f2为θ方向上的目标信号的频率，f1为该方向上的乘性噪声的频率。
将滤波后的信号xfir(n)取绝对值，得到|xfir(n)|，
将绝对值计算后的结果|xfir(n)|通过低通滤波器，得到低频分量xLPF(n)，
对滤波结果xLPF(n)求傅里叶变换
计算Xθ(f)功率谱，得到θ方向上目标信号包络谱：
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (5)
1.基于频率挑选的四元十字阵包络谱估计方法，其特征在于，所述方法基于四元十字阵和罗经实现，四元十字阵布放在水下位置，罗经设置在四元十字阵正下方，罗经的北向由中心指向四元十字阵的第一阵元，罗经与四元十字阵刚性连接，四元十字阵的四个水听器用于同步采集目标的声信号，所述方法包括：
S1、四个水听器接收声信号，将四元十字阵的四个通道输出的信号转换为数字信号，将四个通道的数字信号分成M段，每段长度为N；
S2、将四个通道的数字信号进行加窗，并进行离散傅立叶变换，获得四个通道的频谱值；
S3、将四个通道的频谱值中位于四元十字阵中同一个坐标轴上的两个通道的频谱值进行互谱，进而得到两个互功率谱；
S4、根据罗经测量的四元十字阵的水平转向角θc对两个互功率谱分别进行修正，得到修正后的正北方向互功率谱和正东方向的互功率谱；
S5、对M段的正北方向互功率谱和正东方向的互功率谱分别进行积分求和，分别得到积分求和后的正北方向互功率谱和正东方向互功率谱；
S6、根据S5积分求和获得的正北方向互功率谱和正东方向互功率谱，求每个频率值下的方位，将相同方位对应的功率相加，得到各方位的功率谱，选择各方位的功率谱中最大值对应的方位为目标方位，提取目标方位的频谱；
S7、根据目标方位的频谱设计有限冲激响应滤波器；
S8、对四元十字阵的一个水听器接收的信号为x1(n)利用S7所设计滤波器进行滤波，将滤波后的信号xfir(n)取绝对值，将取绝对值的结果|xfir(n)]通过低通滤波器，得到低频分量xLPF(n)，将低频分量xLPF(n)进行傅里叶变换，得到功率谱Xθ(f)；
S9、根据功率谱Xθ(f)，得到θ方位上目标信号的包络谱Sθ(f)。
2.根据权利要求1所述的基于频率挑选的四元十字阵包络谱估计方法，其特征在于，所述S4中修正后的正北方向互功率谱P′N(k)和正东方向的互功率谱P′E(k)：
其中，P11(k)表示四元十字阵中任意通道信号的自功率谱，j表示虚部，
为P13(k)的相位，P13(k)表示四元十字阵第1通道和第3通道信号的互功率谱，
为P24(k)的相位，P24(k)表示四元十字阵第2通道和第4通道信号的互功率谱，k表示频率值。
3.根据权利要求1或2所述的基于频率挑选的四元十字阵包络谱估计方法，其特征在于，所述S2中，将四个通道的数字信号进行加窗，获得：
x1(n)＝s1(n)w(n)，
x2(n)＝s2(n)w(n)，
x3(n)＝s3(n)w(n)，
x4(n)＝s4(n)w(n)，
s1(n)、s2(n)、s3(n)和s4(n)分别表示四个通道的数字信号，其中w(n)为窗函数，所述窗函数为矩形窗、汉宁窗或汉明窗。
4.根据权利要求3所述的基于频率挑选的四元十字阵包络谱估计方法，其特征在于，所述S3中，得到两个互功率谱分别为：
式中，X1(k)表示四元十字阵的第1通道信号傅里叶变换后的频谱值，X2(k)表示四元十字阵第2通道信号傅里叶变换后的频谱值，X3(k)表示四元十字阵第3通道信号傅里叶变换后的频谱值，X4(k)表示四元十字阵第4通道信号傅里叶变换后的频谱值，k表示频率值，H表示复共轭。
5.根据权利要求4所述的基于频率挑选的四元十字阵包络谱估计方法，其特征在于，
其中，
N表示信号长度，f表示频率变量。
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| GR01 | Patent grant | ||
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