專利名稱：基于參數(shù)調(diào)節(jié)隨機(jī)共振及后處理的傳感器陣波束域微弱信號(hào)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器陣波束域微弱信號(hào)處理方法。
背景技術(shù)：
利用傳感器陣進(jìn)行微弱目標(biāo)探測(cè)是一個(gè)困難而又迫切需要解決的問(wèn)題。如在 淺?；蚪逗Ｓ?，利用主動(dòng)聲納進(jìn)行強(qiáng)混響背景下的掩埋目標(biāo)探測(cè)；利用被動(dòng)聲 納進(jìn)行遠(yuǎn)距離微弱信號(hào)檢測(cè)等。通常，傳統(tǒng)的時(shí)域線性信號(hào)處理方法如頻帶選擇 濾波、匹配濾波等可用來(lái)抑制噪聲/混響，從而提高信噪比/信混比。然而自上世 紀(jì)80年代以來(lái)的研究顯示，非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)在信號(hào)處理領(lǐng)域可能存在巨大的潛 力，其中引起眾多學(xué)者廣泛興趣的隨機(jī)共振(Stochastic Resonance, SR)系統(tǒng)，已 成為研究熱點(diǎn)之一。SR發(fā)展自上世紀(jì)80年代，涉及的研究領(lǐng)域包括物理、信號(hào) 處理、生物等。作為一種非線性的信號(hào)處理理論，SR通過(guò)增加噪聲使非線性系統(tǒng)、 信號(hào)及噪聲產(chǎn)生協(xié)同作用(共振)，從而提高系統(tǒng)對(duì)有用信號(hào)的響應(yīng)，它出現(xiàn)在某 些非線性系統(tǒng)中，也是非線性系統(tǒng)與線性系統(tǒng)的不同之處。
參數(shù)調(diào)節(jié)隨機(jī)共振(Parameter-induced SR， PSR)在實(shí)現(xiàn)共振的方法上不同 于傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)噪聲的SR，它通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)從而改變系統(tǒng)本身的固有頻率，使 非線性系統(tǒng)、信號(hào)和噪聲產(chǎn)生共振效應(yīng)，從而使系統(tǒng)輸出信號(hào)能量增加，噪聲得 到抑制，獲得高輸出信噪比?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中調(diào)節(jié)噪聲強(qiáng)度較難實(shí)現(xiàn)，尤其是 當(dāng)噪聲特性未知或系統(tǒng)輸入噪聲強(qiáng)度已超過(guò)共振點(diǎn)需減小噪聲強(qiáng)度才能實(shí)現(xiàn)SR 時(shí)，PSR更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[Li Jianlong and Xu Bohou, "Parameter-induced stochastic resonance with a periodic signal", Chinese Physics, vol. 15(12), pp.2867-2871,2006 (中文李建龍，徐博侯，"周期信號(hào)情況下的參數(shù)調(diào)節(jié)隨機(jī)共振", 中國(guó)物理，Vol. 15(12), pp. 2867-2871, 2006 ) ; Li Jianlong， "Evidence of parameter-induced aperiodic stochastic resonance with fixed noise", Chinese Physics, Vol. 16(2), pp. 340-345, 2007 (中文李建龍，"固定噪聲情況下的非周期參數(shù)調(diào)節(jié) 隨機(jī)共振"，中國(guó)物理，Vol. 16(2), pp. 340-345, 2007).]。由于SR利用了非線性系 統(tǒng)的協(xié)作效應(yīng)從而使系統(tǒng)輸出有序，信噪比提高，這是一般的線性濾波器所沒(méi)有 的信號(hào)處理機(jī)制，因此具有弱信號(hào)處理優(yōu)勢(shì)，可作為線性信號(hào)處理方法的有益補(bǔ) 充。
PSR用于傳感器陣處理已有少量文獻(xiàn)進(jìn)行研究[葉青華，黃海寧，何心怡，張 春華,"利用隨機(jī)共振技術(shù)的微弱信號(hào)方位估計(jì)"，聲學(xué)學(xué)報(bào),Vol. 29(4), pp. 369-372， 2004;安良，陳勵(lì)軍，陸佶人，"海洋噪聲背景下基于隨機(jī)共振方法的波束形成", 聲學(xué)技術(shù),Vol. 25(2), pp. 98-102, 2006]，并取得了較好的效果。不足之處在于，(1) 現(xiàn)有技術(shù)把SR非線性處理放在陣元域進(jìn)行，導(dǎo)致經(jīng)非線性系統(tǒng)處理后引起的信 號(hào)波形畸變以及各陣元信號(hào)相位不一致，從而影響后續(xù)線性信號(hào)處理器(如空間 波束形成(Beamforming, BF)、時(shí)域匹配濾波等)性能，使得后續(xù)線性處理器性 能下降；(2)現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)非線性處理后，沒(méi)有對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的后處理，即 反演處理，以最大限度地恢復(fù)原始信號(hào)波形，減小信號(hào)畸變對(duì)后續(xù)處理產(chǎn)生的副 作用；G)根據(jù)絕熱近似理論，SR非線性信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)低頻信號(hào)處理性能較好， 因此對(duì)于高頻信號(hào)，現(xiàn)有技術(shù)的性能會(huì)下降。
發(fā)明內(nèi)容
為了消除已有的陣元域SR處理方法對(duì)后續(xù)線性處理器性能的影響，同時(shí)克 服己有的方法不能同時(shí)滿足低頻和中高頻微弱信號(hào)的處理要求、處理中高頻微弱 信號(hào)能力較弱的不足，本發(fā)明提供一種線性信號(hào)處理與非線性信號(hào)處理方法互不影響，并能夠同時(shí)滿足低頻和高頻微弱信號(hào)處理的要求，大幅提升處理微弱信號(hào)
能力的基于參數(shù)調(diào)節(jié)隨機(jī)共振及后處理的傳感器陣波束域微弱信號(hào)處理方法。 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是
一種基于參數(shù)調(diào)節(jié)隨機(jī)共振及后處理的傳感器陣波束域微弱信號(hào)處理方法， 所述傳感器陣波束域微弱信號(hào)處理方法包括以下步驟
1) 空間波束形成
設(shè)源信號(hào)/回波經(jīng)各傳感器接收后表示為
r(w) = v(A )i"(/ ) + ， (1 )
其中r(")^k(") r2(")…rM(")]，噪聲/混響w("h[w,(") w'2(")…wM(")]， M為傳感器個(gè)數(shù)，s(n)為被動(dòng)源或主動(dòng)發(fā)射回波信號(hào)，v(A)為陣響應(yīng)向量，&為 目標(biāo)方位角；
首先對(duì)該A/維空間信號(hào)進(jìn)行波束形成處理，以獲取陣的空間增益；設(shè)在/個(gè) 方向上進(jìn)行波束形成，得到/個(gè)波束表示為
x,(一,W,)r(") ， / = 1,2,.",/， (2) 其中c(-,)為陣駕駛到夂方向的權(quán)向量，該權(quán)向量根據(jù)不同的波束形成方法進(jìn)行設(shè) 計(jì)，上標(biāo)//表示共軛轉(zhuǎn)置；
2) 時(shí)間尺度變換
對(duì)每個(gè)波束域信號(hào)x,(w)的時(shí)間軸進(jìn)行拉長(zhǎng)，經(jīng)時(shí)間尺度變換后，波束域信號(hào) 表示為x,(r),其中r-丄/7， Z為尺度變換倍數(shù)；
3) 波束域PSR處理
采用最典型的雙穩(wěn)態(tài)非線性系統(tǒng)
^^，,3+x,(0， (3) dr
其中系統(tǒng)參數(shù)o和6為正數(shù)，x,(r)為系統(tǒng)輸入，y(r)為系統(tǒng)輸出；通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)"和Z)從而改變系統(tǒng)本身的固有頻率；
首先，定義輸出的信噪比/信混比為衡量PSR處理性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，設(shè)
目標(biāo)函數(shù)為p(",6)，則系統(tǒng)參數(shù)tf和6通過(guò)下式進(jìn)行調(diào)節(jié) m^^(a,6,x,)=^nax(x,)， (4)
其中參數(shù)a和6需根據(jù)系統(tǒng)輸入x,(r)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)最大時(shí)，"和6 為非線性系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)；
4) PSR后處理:
非線性朗之萬(wàn)方程(3)中輸入信號(hào)x,(r)有兩部分組成，表示為 x,(r) = s,(r) + w,(T)，對(duì)(3)式兩邊取均值得
夕("=柳)-砂0")3+洲， (5) 其中貝r):五[x(r)]， 5(r) = ￡[s ];當(dāng)條件l歲(r)l《^("滿足時(shí)，得信號(hào)反演公 式為
5 (r)《砂(r)3 - "貝". (6)
均值K"的計(jì)算用r時(shí)刻相鄰間隔的平均幅度值進(jìn)行估計(jì)，因此，反演得到 的信號(hào)^(r)為實(shí)際信號(hào)的短時(shí)平滑，除了幅值極小的信號(hào)采樣點(diǎn)，即它們的幅值 s,(r) —0，絕大部分點(diǎn)都能滿足條件l夕(r)l《^,(";對(duì)于未滿足條件的極小幅值 輸出信號(hào)，通過(guò)插值、平滑技術(shù)恢復(fù)原始波形；
5) 時(shí)間尺度反變換
進(jìn)行時(shí)間尺度反變換，即"=7/丄，以恢復(fù)原采樣率下各波束域的時(shí)域信號(hào) 。
作為優(yōu)選的一種方案在主動(dòng)目標(biāo)探測(cè)情況下，在所述歩驟1)和步驟2)之 間增加波束域匹配濾波處理。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為首先對(duì)傳感器接收信號(hào)進(jìn)行空間波束形成；然后在波束域，先進(jìn)行匹配濾波處理(對(duì)于被動(dòng)探測(cè)，不進(jìn)行此處理)，其輸出進(jìn)行時(shí)間尺 度變換后再進(jìn)行PSR非線性處理，最后對(duì)非線性系統(tǒng)輸出進(jìn)行后處理，以減小由 于非線性處理而導(dǎo)致的信號(hào)波形畸變。其中把PSR非線性處理放在波束形成和匹 配濾波之后進(jìn)行，以消除非線性效應(yīng)對(duì)線性信號(hào)處理器的影響，而時(shí)間尺度變換 使對(duì)低頻信號(hào)具有較大優(yōu)勢(shì)的PSR能夠?qū)Ω哳l微弱信號(hào)進(jìn)行處理。實(shí)例處理顯示， 聯(lián)合PSR的整套處理方法可大幅提升微弱信號(hào)處理的能力。
同時(shí)，PSR系統(tǒng)由于信號(hào)處理機(jī)制的不同，具有線性信號(hào)處理器所沒(méi)有的優(yōu) 勢(shì)，可作為線性信號(hào)處理器的有益補(bǔ)充，發(fā)揮兩者結(jié)合所帶來(lái)的微弱信號(hào)處理優(yōu) 勢(shì)；利用時(shí)間尺度變換降低輸入PSR系統(tǒng)的信號(hào)頻率，充分發(fā)揮PSR非線性信 號(hào)處理方法對(duì)微弱低頻信號(hào)的處理能力；在PSR系統(tǒng)之后串接相應(yīng)的信號(hào)反演、 插值等后處理方法，以基本恢復(fù)由于PSR的非線性效應(yīng)導(dǎo)致的信號(hào)波形畸變，有 利于后續(xù)進(jìn)一步的檢測(cè)、估計(jì)等處理。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在可消除山于非線性效應(yīng)導(dǎo)致的波束形成、匹 配濾波等線性處理器的性能下降；能夠同時(shí)滿足低頻和高頻微弱信號(hào)的處理要求、 大幅提升微弱信號(hào)處理能力；采用最優(yōu)系統(tǒng)作為非線性處理器，以獲得最佳的微 弱信號(hào)處理性能；后處理能最大限度地消除由于非線性處理所導(dǎo)致的信號(hào)波形畸 變。
圖1是傳感器陣目標(biāo)探測(cè)PSR波束域微弱信號(hào)處理流程圖。 圖2是PSR系統(tǒng)處理流程圖。
圖3是經(jīng)常規(guī)波束形成(Conventional Beamforming, CBF)和匹配濾波 (Matched Filtering, MF)處理后的波束圖與CBF、 MF及PSR聯(lián)合處理后所得波 束圖的比較示意圖。圖4是兩個(gè)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的處理結(jié)果的示意圖。 圖5是上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果的示意圖。 圖6是波導(dǎo)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
參照?qǐng)D1 圖6，一種基于參數(shù)調(diào)節(jié)隨機(jī)共振及后處理的傳感器陣波束域微弱 信號(hào)處理方法，用于水下的聲納陣或陸上/空中雷達(dá)陣等傳感器陣微弱信號(hào)處理。 整套處理方法的技術(shù)方案如下
1) 空間波束形成
設(shè)源信號(hào)(被動(dòng)探測(cè))/回波(主動(dòng)探測(cè))經(jīng)各傳感器接收后可表示為
r(w) = v(A X") + w(w) ， ( 1 )
其中r(rt)^[;^(w) r2(")… 噪聲/混響w("Xw,(") w2(") ... wM(")]，
M為傳感器個(gè)數(shù)，s(w)為被動(dòng)源或主動(dòng)發(fā)射回波信號(hào)，v(^)為陣響應(yīng)向量，-,為 目標(biāo)方位角。首先對(duì)該M維空間信號(hào)進(jìn)行波束形成處理，以獲取陣的空間增益。 設(shè)在/個(gè)方向上進(jìn)行波束形成，得到/個(gè)波束可表示為
x,(") = cH0,)r(") ， / = 1,2廣.，/， (2) 其中cW)為陣駕駛到-,方向的權(quán)向量，該權(quán)向量可根據(jù)不同的BF方法進(jìn)行設(shè)計(jì)， 上標(biāo)//表示共軛轉(zhuǎn)置。
2) 波束域匹配濾波處理
波束域MF處理如圖1中虛線框表示，此處理方法一般用于主動(dòng)目標(biāo)探測(cè)情 況下，處理的目的是提高信噪比/信混比，增加距離分辨率。某些處理中也把MF 置于陣元域處理，然后再進(jìn)行BF空間處理，因?yàn)閮烧呔鶎儆诰€性處理，因此不 影響最終的處理性能。3) 時(shí)間尺度變換
經(jīng)上述線性處理后，由于回波微弱，信噪比/信混比仍然可能很低，而PSR 可進(jìn)一步提高信噪比/信混比。根據(jù)絕熱近似理論，PSR通常在較低頻率區(qū)域具有 較好處理性能，因此，波束域信號(hào)在進(jìn)入PSR系統(tǒng)處理之前，需進(jìn)行時(shí)間尺度變 換，以把較高頻率的回波，通過(guò)時(shí)間尺度變換，降低到較低頻率區(qū)域。如圖1 (處 理A)所示，時(shí)間尺度變換的主要途徑是對(duì)每個(gè)波束域信號(hào)x,(w)的時(shí)間軸進(jìn)行拉 長(zhǎng)，經(jīng)時(shí)間尺度變換后，波束信號(hào)表示為jc,(r)，其中7 =丄"，丄為尺度變換倍數(shù)。
4) 波束域PSR處理
把PSR置于波束形成和匹配濾波兩種線性信號(hào)處理器之后主要基于以下考 慮(1) PSR非線性系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)速度受信號(hào)幅度和噪聲強(qiáng)度影響，兩者的不 一致都將導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度不同，若在陣元域處理，會(huì)使各陣元對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào) 的時(shí)延發(fā)生變化，從而影響后續(xù)的波束形成效果；(2)由于受系統(tǒng)非線性影響， PSR系統(tǒng)輸出信號(hào)會(huì)產(chǎn)生崎變，從而影響匹配濾波處理性能。
PSR可以在各類非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明專利采用最典型的雙穩(wěn)態(tài) 非線性系統(tǒng)
<formula>formula see original document page 10</formula>
其中系統(tǒng)參數(shù)a和Z)為正數(shù)，x,(f)為系統(tǒng)輸入，少(r)為系統(tǒng)輸出。PSR在實(shí)現(xiàn)共 振的方法上不同于傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)噪聲的SR，它通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)a和6從而改變系 統(tǒng)本身的固有頻率，使非線性系統(tǒng)、信號(hào)和噪聲產(chǎn)生共振效應(yīng)，獲得高輸出信噪 比，適用于微弱信號(hào)處理?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中調(diào)節(jié)噪聲強(qiáng)度較難實(shí)現(xiàn)，尤其是噪 聲特性未知或系統(tǒng)輸入噪聲強(qiáng)度已經(jīng)超過(guò)共振點(diǎn)需減小噪聲強(qiáng)度，PSR更具有實(shí) 際應(yīng)用價(jià)值。
PSR處理流程如圖2所示。首先，根據(jù)應(yīng)用背景的不同，應(yīng)定義衡量非線性系統(tǒng)輸出性能的目標(biāo)函數(shù)，對(duì)于本發(fā)明專利使用背景， 一般可定義輸出的信噪比/ 信混比為衡量PSR處理性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)。設(shè)目標(biāo)函數(shù)為p(a》)，則系統(tǒng)參數(shù)
fl和6可通過(guò)下式進(jìn)行調(diào)節(jié)
<formula>formula see original document page 11</formula> (4)
其中參數(shù)"和6需根據(jù)系統(tǒng)輸入X,(f)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)(信噪比/信混
比)最大時(shí)，"和6為非線性系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)。某些情況下PSR實(shí)現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)可 能處于次優(yōu)狀態(tài)[Li Jianlong and Xu Bohou, "Parameter-induced stochastic resonance with a periodic signal", Chinese Physics, vol. 15(12), pp. 2867-2871, 2006 (中文李
建龍，徐博侯，"周期信號(hào)情況下的參數(shù)調(diào)節(jié)隨機(jī)共振"，中國(guó)物理，Vol. 15(12), pp. 2867-2871, 2006) ; Li Jianlong, "Evidence of parameter-induced aperiodic stochastic resonance with fixed noise", Chinese Physics, Vol. 16(2), pp. 340-345, 2007 (中文李
建龍，"固定噪聲情況下的非周期參數(shù)調(diào)節(jié)隨機(jī)共振"，中國(guó)物理，Vol. 16(2), pp. 340-345,2007).]，本發(fā)明專利仍然采用最優(yōu)系統(tǒng)作為非線性處理器，以獲得最佳 的微弱信號(hào)處理性能。 5) PSR后處理
經(jīng)PSR處理之后，大部分實(shí)際應(yīng)用中仍需使用其他幅度域檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)和 估計(jì)，或進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別等處理，本發(fā)明專利使用一個(gè)較簡(jiǎn)單但有效的后處理技術(shù) (包括信號(hào)反演和局部插值處理)，以恢復(fù)信號(hào)波形，利于后續(xù)進(jìn)一步處理。
非線性系統(tǒng)(3)中輸入信號(hào)x,(r)有兩部分組成，表示為;c,("w,(r) + w,(r)， 對(duì)(3)式兩邊取均值得
夕(r),(r)-好(r)3+5(", (5) 其中貝r):五[x(r)]， 5(r) = ￡[s,(r)]。當(dāng)條件|夕(O |<< 滿足時(shí)，可得信號(hào)反演 公式為5(r)w砂(r) 一a貝r). (6) 實(shí)際中，均值貝r)的計(jì)算可用r時(shí)刻相鄰間隔的平均幅度值進(jìn)行估計(jì)，因此，反 演得到的信號(hào)5(r)為實(shí)際信號(hào)的短時(shí)平滑，除了幅值極小的信號(hào)采樣點(diǎn)，即它們 的幅值A(chǔ)(r) — 0，絕大部分點(diǎn)都能滿足條件l少0")l《《(r)。對(duì)于未滿足條件的極 小幅值輸出信號(hào)，可通過(guò)插值、平滑等技術(shù)恢復(fù)原始波形。 6)時(shí)間尺度反變換
經(jīng)1)和2)的線性處理，可獲得空間增益和時(shí)間增益，進(jìn)而利用3) _5) 波束域PSR非線性處理，進(jìn)一步提升了微弱信號(hào)處理性能，并使非線性系統(tǒng)處理 產(chǎn)生的信號(hào)波形畸變得以恢復(fù)，此時(shí)各波束域信號(hào)均以r作為時(shí)間尺度，為不影 響后續(xù)處理，如圖1處理B所示，需對(duì)5)之后的信號(hào)進(jìn)行時(shí)間尺度反變換，即 /7 = WZ，以恢復(fù)原采樣率下各波束域的時(shí)域信號(hào)5(")。
實(shí)例說(shuō)明設(shè)友射信號(hào)為1.2 kHz—1.5 kHz線性調(diào)頻信號(hào)，脈寬500 ms，接 收陣為16元線陣，信噪比-20dB，回波入射角20。。圖3顯示的是經(jīng)常規(guī)波束形 成(CBF)和匹配濾波(MF)處理后的波束圖與CBF、 MF及PSR聯(lián)合處理后所 得波束圖的比較，圖中虛線和點(diǎn)劃線分別表示兩種方法單次隨機(jī)數(shù)值模擬產(chǎn)生的 結(jié)果，而實(shí)線對(duì)應(yīng)各自的統(tǒng)計(jì)平均值，由圖可知，增加PSR及相應(yīng)的后處理后， 旁瓣大幅降低(降低約10dB)。
圖3是PSR對(duì)目標(biāo)方位估計(jì)的影響分析。虛線和點(diǎn)劃線為各次隨機(jī)產(chǎn)生的仿 真數(shù)據(jù)處理所得結(jié)果，加號(hào)標(biāo)記實(shí)線為未利用PSR處理各次所得結(jié)果的均值，矩 形標(biāo)記實(shí)線為利用PSR及后處理各次所得結(jié)果的均值。
圖4顯示的是兩個(gè)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的處理結(jié)果，其中目標(biāo)1回波信噪比為-20 dB， 入射方位角為15。，而目標(biāo)2回波信噪比為-23dB，入射角為25。，從圖中可以看 出，CBF與MF處理只能估計(jì)其中一個(gè)目標(biāo)方位，且旁瓣很高，而增加PSR及后
12M^旁瓣明顯降低，且兩個(gè)目標(biāo)方位均可估計(jì)，顯示了較好的方位估計(jì)能力。 圖4是兩個(gè)目標(biāo)時(shí)的比較結(jié)果。目標(biāo)1回波信噪比-20 dB，入射角15°，目 標(biāo)2回波信噪比-23 dB，入射角25°。加號(hào)標(biāo)記實(shí)線為未利用PSR處理各次所得 結(jié)果的均值，矩形標(biāo)記實(shí)線為利用PSR處理各次所得結(jié)果的均值。
為進(jìn)一步驗(yàn)證算法的有效性，圖5是海上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，所用接收陣為 16元線陣，目標(biāo)位于約20。方位，數(shù)據(jù)處理時(shí)所用寬帶信號(hào)頻段為1.2 kHz—1.5 kHz。由圖中對(duì)兩種算法的比較可知，PSR同樣可以有效降低旁瓣。圖中-60°方位
處為落于主動(dòng)發(fā)射信號(hào)頻帶內(nèi)的兩個(gè)被動(dòng)源，用于其他實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?br>
圖5是海上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果。加號(hào)標(biāo)記實(shí)線為未利用PSR處理所得結(jié)果， 矩形標(biāo)記實(shí)線為利用PSR處理所得結(jié)果。
為驗(yàn)證該算法對(duì)掩埋目標(biāo)微弱回波處理的能力，開(kāi)展了波導(dǎo)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn) 室波導(dǎo)長(zhǎng)約14 m，寬1.22 m，水深1.42 m，波導(dǎo)四面貼有吸聲材料，底部鋪有 0.2m的細(xì)沙。目標(biāo)埋于沙層下lcm，距離接收陣8 m。實(shí)驗(yàn)中所用目標(biāo)探測(cè)方法 為首先利用時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)進(jìn)行發(fā)射聚焦，導(dǎo)引聲波入射到目標(biāo)，然后對(duì)回波進(jìn)行 接收聚焦，使各陣元接收的回波信號(hào)經(jīng)接收聚焦(多路徑時(shí)延補(bǔ)償)后成為聚焦 波束域信號(hào)，具體的探測(cè)方法和實(shí)驗(yàn)介紹可參考文獻(xiàn)[閻麗明，李建龍，潘翔，趙 航芳，祝恒年，"時(shí)間反轉(zhuǎn)處理用于掩埋目標(biāo)檢測(cè)"，聲學(xué)學(xué)報(bào),2008(6), pp. 64-69]。 圖6是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)波束域聚焦后，利用PSR與未利用PSR處理的比較，由圖可 知，在聚焦波束域增加PSR處理后，8m處掩埋目標(biāo)回波強(qiáng)度明顯增加。
圖6是波導(dǎo)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果。目標(biāo)埋于沙層下lcm，距離接收陣8m。虛 線為未利用PSR處理所得結(jié)果，實(shí)線為在時(shí)反接收聚焦波束域增加PSR處理后 所得結(jié)果。
權(quán)利要求
1、一種基于參數(shù)調(diào)節(jié)隨機(jī)共振及后處理的傳感器陣波束域微弱信號(hào)處理方法，其特征在于所述傳感器陣波束域微弱信號(hào)處理方法包括以下步驟1)空間波束形成設(shè)源信號(hào)/回波經(jīng)各傳感器接收后表示為r(n)＝v(φs)s(n)+w(n)，(1)其中r(n)＝[r1(n) r2(n)…rM(n)]，噪聲/混響w(n)＝[w1(n) w2(n)…wM(n)]，M為傳感器個(gè)數(shù)，s(n)為被動(dòng)源或主動(dòng)發(fā)射回波信號(hào)，v(φs)為陣響應(yīng)向量，φs為目標(biāo)方位角；首先對(duì)該M維空間信號(hào)進(jìn)行波束形成處理，以獲取陣的空間增益；設(shè)在I個(gè)方向上進(jìn)行波束形成，得到I個(gè)波束表示為xi(n)＝cH(φi)r(n)，i＝1，2，…，I，(2)其中c(φi)為陣駕駛到φi方向的權(quán)向量，該權(quán)向量根據(jù)不同的波束形成方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，上標(biāo)H表示共軛轉(zhuǎn)置；2)時(shí)間尺度變換對(duì)每個(gè)波束域信號(hào)xi(n)的時(shí)間軸進(jìn)行拉長(zhǎng)，經(jīng)時(shí)間尺度變換后，波束域信號(hào)表示為xi(τ)，其中τ＝Ln，L為尺度變換倍數(shù)；3)波束域PSR處理采用最典型的雙穩(wěn)態(tài)非線性系統(tǒng)<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <mrow><mi>dy</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>τ</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mi>dτ</mi></mfrac><mo>=</mo><mi>ay</mi><mo>-</mo><mi>b</mi><msup> <mi>y</mi> <mn>3</mn></msup><mo>+</mo><msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>τ</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>其中系統(tǒng)參數(shù)a和b為正數(shù)，xi(τ)為系統(tǒng)輸入，y(τ)為系統(tǒng)輸出；通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)a和b從而改變系統(tǒng)本身的固有頻率；首先，定義輸出的信噪比/信混比為衡量PSR處理性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，設(shè)目標(biāo)函數(shù)為 id="icf0002" file="A2009100994380003C1.tif" wi="13" he="4" top= "42" left = "48" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>則系統(tǒng)參數(shù)a和b通過(guò)下式進(jìn)行調(diào)節(jié)其中參數(shù)a和b需根據(jù)系統(tǒng)輸入xi(τ)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)最大時(shí)，a和b為非線性系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)；4)PSR后處理非線性系統(tǒng)(3)中輸入信號(hào)xi(τ)有兩部分組成，表示為xi(τ)＝si(τ)+wi(τ)，對(duì)(3)式兩邊取均值得<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mover> <mover><mi>y</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>·</mo></mover><mrow> <mo>(</mo> <mi>τ</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>a</mi><mover> <mi>y</mi> <mo>‾</mo></mover><mrow> <mo>(</mo> <mi>τ</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mi>b</mi><mover> <mi>y</mi> <mo>‾</mo></mover><msup> <mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo> </mrow> <mn>3</mn></msup><mo>+</mo><msub> <mover><mi>s</mi><mo>‾</mo> </mover> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>τ</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>其中y(τ)＝E[x(τ)]，si(τ)＝E[si(τ)]；當(dāng)條件<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><mo>|</mo><mover> <mover><mi>y</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>·</mo></mover><mrow> <mo>(</mo> <mi>τ</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>|</mo><mo><</mo><mo><</mo><msub> <mover><mi>s</mi><mo>‾</mo> </mover> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>τ</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math> id="icf0005" file="A2009100994380003C4.tif" wi="23" he="4" top= "124" left = "109" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>滿足時(shí)，得信號(hào)反演公式為si(τ)≈by(τ)3-ay(τ).(6)均值y(τ)的計(jì)算用τ時(shí)刻相鄰間隔的平均幅度值進(jìn)行估計(jì)，因此，反演得到的信號(hào)si(τ)為實(shí)際信號(hào)的短時(shí)平滑，除了幅值極小的信號(hào)采樣點(diǎn)，即它們的幅值si(τ)→0，絕大部分點(diǎn)都能滿足條件<maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><mo>|</mo><mover> <mover><mi>y</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>·</mo></mover><mrow> <mo>(</mo> <mi>τ</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>|</mo><mo><</mo><mo><</mo><msub> <mover><mi>s</mi><mo>‾</mo> </mover> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>τ</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow>]]></math> id="icf0006" file="A2009100994380003C5.tif" wi="25" he="4" top= "177" left = "95" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>對(duì)于未滿足條件的極小幅值輸出信號(hào)，通過(guò)插值、平滑技術(shù)恢復(fù)原始波形；5)時(shí)間尺度反變換進(jìn)行時(shí)間尺度反變換，即n＝τ/L，以恢復(fù)原采樣率下各波束域的時(shí)域信號(hào)si(n)。
2、如權(quán)利要求1所述的基于參數(shù)調(diào)節(jié)隨機(jī)共振及后處理的傳感器陣波束域微弱信號(hào)處理方法，其特征在于在主動(dòng)目標(biāo)探測(cè)情況下，在所述步驟l)和步驟2)之 間增加波束域匹配濾波處理。
全文摘要
一種基于參數(shù)調(diào)節(jié)隨機(jī)共振及后處理的傳感器陣波束域微弱信號(hào)處理方法，包括以下步驟1)空間波束形成首先對(duì)陣接收空間信號(hào)進(jìn)行波束形成處理，以獲取陣的空間增益；2)時(shí)間尺度變換對(duì)每個(gè)波束域信號(hào)的時(shí)間軸進(jìn)行拉長(zhǎng)，以降低中高頻微弱信號(hào)的頻率；3)波束域PSR處理；4)PSR后處理；5)時(shí)間尺度反變換，以恢復(fù)原采樣率下各波束域的時(shí)域信號(hào)頻率。若應(yīng)用于主動(dòng)探測(cè)，則1)之后增加匹配濾波處理。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)線性信號(hào)處理方法與非線性的PSR處理在處理性能上互不影響，同時(shí)滿足低頻和中高頻微弱信號(hào)的處理要求、大幅提升處理微弱信號(hào)能力，并利用后處理最大限度地消除由于PSR非線性處理所導(dǎo)致的信號(hào)波形畸變。
文檔編號(hào)G01S15/00GK101592730SQ200910099438
公開(kāi)日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月5日
發(fā)明者徐博侯, 李建龍, 翔 潘 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)