專利名稱：基于聲矢量傳感器均勻直線陣的快速寬帶頻域波束形成方法
基于聲矢量傳感器均勻直線陣的快速寬帶頻域波束形成方法技術領域
本發(fā)明屬于聲納數(shù)字信號處理領域，特別涉及基于聲矢量傳感器均勻直線陣的快 速寬帶頻域波束形成方法。
背景技術：
聲矢量傳感器是一種新型傳感器，它可以空間共點、同步測量聲場中的聲壓和質 點振速的各正交分量，同時獲取聲場中的標量場和矢量場的相關信息，遠優(yōu)于傳統(tǒng)的聲壓 水聽器。理論分析和試驗都表明，遠場條件下相干源輻射聲場的聲壓和振速是完全相關的， 且振速具有與頻率無關的偶極子自然指向性，而背景噪聲場的聲壓振速則是獨立的。這是 聲矢量信號處理的基礎，也體現(xiàn)出了其相較于單一聲壓信號處理的優(yōu)越性。
從1958年G. L. Boyer成功研制了第一個聲壓梯度水聽器開始，隨后幾十年，振速 傳感器技術得到了飛速的發(fā)展，動圈式、壓電式和光纖式等多種振速傳感器技術正在不斷 創(chuàng)新。國內的有關研究雖然起步稍晚，但也取得了積極的成果，哈爾濱工程大學、中科院聲 學所及715所自上個世紀八十年代初開始了聲矢量傳感器的研制工作并成功研制了二維 同振式聲矢量傳感器和三維同振式聲矢量傳感器。這些都為聲矢量傳感器均勻直線陣的工 程化應用打下了堅實的工藝基礎。
聲矢量傳感器陣列信號處理現(xiàn)在正是水聲領域中的研究熱點之一。1999年， Hawkes等人已經(jīng)指出任意布局的陣列，即使是最簡單的線陣，也可以無模糊的確定單 目標的方位角禾口俯仰角；文獻"M. Hawkes and A. Nehorai, Sueface-mountedacoustic vector-sensor array processing, in Proc. IEEE Intl Conf. On Acoust.，Speech, andSig. Proc. (ICASSP96)，1996(5) :3710_3713P”提到了聲矢量傳感器陣列在船殼聲納中 成功應用，船體耐壓殼可近似成軟邊界，此處聲壓接近于零，振速卻最大，因而以聲矢量傳 感器均勻直線陣取代傳統(tǒng)的聲壓水聽器均勻直線陣可以獲得最佳的檢測性能，克服檢測目 標低頻線譜中存在的嚴重問題；孫貴青在其論文“聲矢量傳感器均勻直線陣的左右舷分辨” 對聲矢量傳感器均勻直線陣的左右舷分辨的關鍵技術進行了論述，指出聲矢量傳感器均勻 直線陣具有很好的左右舷分辨性能，其除了不可避免地與信噪比有關之外，還主要取決于 與頻率無關的矢量傳感器陣元指向性。
而基于聲矢量傳感器均勻直線陣的最基本的處理方法是常規(guī)波束形成(CBF)，即 通過線陣對接收到的信號進行空間濾波來獲取目標方位功率輸出。尤其是陣元數(shù)較多時， 相比于MVDR、子空間等方法，CBF仍是最便于在工程上實現(xiàn)的信號處理方法。但聲矢量傳感 器均勻直線陣與傳統(tǒng)聲壓水聽器均勻直線陣相比，因為多出了振速各分量信號的處理，其 處理的維數(shù)也較后者大大增加，處理所帶來的時間花銷也相應增加，特別是對于寬帶信號 的頻域處理。因而如何有效地提高聲矢量傳感器均勻直線陣寬帶頻域波束形成的處理速度 成為關鍵。發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，提供基于聲矢量傳感器均勻直線陣的快速寬帶頻域波束形成 方法，以有效地提高聲矢量傳感器均勻直線陣寬帶頻域波束形成的處理速度，實現(xiàn)運算速 度的大大提高，便于實時處理。
為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出基于聲矢量傳感器均勻直線陣的快速寬帶頻 域波束形成方法。該方法步驟包括
步驟1)用聲矢量傳感器均勻直線陣接收空間時域信號，得到M個陣元的時域信 號，其中，M為不小于2的整數(shù)，時域信號包括時域聲壓信號和時域振速信號，對需要處理的 快拍數(shù)據(jù)做傅立葉變換得到相應的頻域信號；
步驟2)對需要處理的頻帶范圍[fmin，fmax]，將M個陣元的頻域信號在空間域補 零，然后在空間域上做FFT變換，最后將變換結果的零頻分量移至譜中心，其中，頻帶范圍 [ffflin, fmax]根據(jù)實際需要進行選取，只需滿足fmin > 0，fmax不大于數(shù)據(jù)采樣率的一半即可；
步驟3)在需要處理的帶寬內的每一個頻點上依據(jù)對應于聲壓振速頻域信號的 頻率-波束網(wǎng)格對波束和空域傅立葉結果進行對齊校正和相應線性相加，得到不同頻點的 波束形成結果；
步驟4)合成不同頻率的波束形成結果，得到線陣在空間上的功率輸出；
權利要求
1.基于聲矢量傳感器均勻直線陣的快速寬帶頻域波束形成方法，該方法步驟包括 步驟1)用聲矢量傳感器均勻直線陣接收空間時域信號，得到M個陣元的時域信號，其中，M為不小于2的整數(shù)，時域信號包括時域聲壓信號和時域振速信號，對需要處理的快拍 數(shù)據(jù)做傅立葉變換得到相應的頻域信號；步驟2)對需要處理的頻帶范圍[fmin，fmax]，將M個陣元的頻域信號在空間域補零，然 后在空間域上做FFT變換，最后將變換結果的零頻分量移至譜中心，其中，頻帶范圍[fmin， fmax]根據(jù)實際需要進行選取，只需滿足fmin > 0，fmax不大于數(shù)據(jù)采樣率的一半即可；步驟3)在需要處理的帶寬內的每一個頻點上依據(jù)對應于聲壓振速頻域信號的頻 率-波束網(wǎng)格對波束和空域傅立葉結果進行對齊校正和相應線性相加，得到不同頻點的波 束形成結果；步驟4)合成不同頻率的波束形成結果，得到均勻直線陣在空間上的功率輸出；/ _ max2p^s)= Σ \BAfiM(1)。/=f _ min
2.根據(jù)權利要求1所述的快速寬帶頻域波束形成方法，其特征在于，所述的步驟2)中 空間域補零方法采用原數(shù)據(jù)后直接補零方法或在原數(shù)據(jù)中插值補零方法。
3.根據(jù)權利要求1所述的快速寬帶頻域波束形成方法，其特征在于，所述的步驟4)具 體方法是在步驟幻中得到的不同頻點的波束形成結果即波束輸出矩陣，將波束輸出矩陣中的 每一行與波束輸出矩陣共軛轉置相乘，即為相應搜索方位上的輸出功率，最后得到線陣在 空間上的功率輸出。
4.根據(jù)權利要求1所述的快速寬帶頻域波束形成方法，其特征在于，所述的聲矢量傳 感器均勻直線陣由多個二維矢量傳感器組成時，所述的聲矢量傳感器均勻直線陣按式(2) 對陣元聲壓信號單頻響應做FFT變換；
5.根據(jù)權利要求1或4所述的快速寬帶頻域波束形成方法，其特征在于，所述的聲矢量 傳感器均勻直線陣只要陣元數(shù)目M、陣元間距d和處理頻帶[fmin，fmax]已知，則根據(jù)式(6) 預先計算出頻率-波束網(wǎng)格，計算方法如式(J)所示,,r , , η Ji ■ M · /-COS^i. kiftA) = floor(^-—)(7)其中，floor表示取整運算。
6.根據(jù)權利要求1所述的快速寬帶頻域波束形成方法，其特征在于，所述的聲矢量傳 感器均勻直線陣由多個三維矢量傳感器組成時，所述的聲矢量傳感器均勻直線陣按式(8) 所示對陣元聲壓信號單頻響應做FFT運算；μ^π^P,β(fiΛ) = YjXm,,(/；)*exp(-7 · —-^-m)m=\(8)所述的聲矢量傳感器均勻直線陣按式(9)、式(10)和式(11)對陣元振速各分量信號單 頻相應運算；1^VxtO (fi, k) ~^Vy1O (fi,眾)= ^Vz,θ (fi，眾)=Mm~\ ‘MMM 2πqM-J--T7T7-k-m).OT=IMMM 2πΣ (乂) * exp(-y · —cos 么 sin^ sin 也 sin θ cos θ(9) (10) (11)然后，按式(1 進行相位補償和疊加運算得到不同方位的波束輸出MW-, , . , ^ md cos0v sin Bf,e α = ΣxW (f.) * exp(-7 . Irrfl--^——)w=lMΛ ^ md cos φ, sin θ、 , . Λ + Σ Χ吵(/ ) * exp(-y · 2^--^——)· cos φΞ sin θm=\ M(12), , Λ . ^nd cos φ, sin ^ ^ · , . Λ Σ 丨辦(Χ ) * exp(-7 · Infi--^——).sin φ5 sin θW=IM Λ ^ md cos φ, sin θ ^ Λ +Σ 夂,ζ ) * exp(-7 . ITrfi--&——)· cos θm=\其中，式(8)、式(9)、式(10)、式(11)和式(12)中波束方位(^dPFFT變換域k存在 式(13)對應關系ft - M · d. cos φ5 sin θk =(13)其中，k是FFT的運算序號；(^是掃描方位角，
，θ是仰視角，θ e [-90° ，90° ]。
7.根據(jù)權利要求1或6所述的快速寬帶頻域波束形成方法，其特征在于，所述的聲矢量 傳感器均勻直線陣只要陣元數(shù)目M、陣元間距d和處理頻帶[fmin，fmax]已知，則根據(jù)式(13) 預先計算出來頻率-波束網(wǎng)格，計算方法如式(14)所示 廠-M-J-cos么 sin汐、,,.Nk (ft Js,θ) = floor^-^——)(⑷c其中，floor表示取整運算。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于聲矢量傳感器均勻直線陣的快速寬帶頻域波束形成方法，該方法步驟包括首先，用聲矢量傳感器均勻直線陣接收空間信號，得到所有陣元的時域信號，時域信號包括時域聲壓信號和時域振速信號，對需要處理的快拍數(shù)據(jù)做傅立葉變換，得到相應的頻域信號。其次，針對需要處理的頻帶范圍，將所有陣元的聲壓、振速頻域信號在空間域補零，再對其在空間域上做FFT變換，然后將變換結果的零頻分量移至譜中心。接著在需要處理的帶寬內的每一個頻點上依據(jù)對應于聲壓振速頻域信號的頻率-波束網(wǎng)格對波束和空域傅立葉結果進行對齊校正和相應線性相加，得到不同頻點的波束形成結果。最后，合成不同頻率的波束形成結果，得到線陣在空間上的功率輸出。
文檔編號G01S7/52GK102043145SQ201010534439
公開日2011年5月4日 申請日期2010年11月3日 優(yōu)先權日2010年11月3日
發(fā)明者孫貴青, 曾雄飛, 李崢, 黃海寧 申請人:中國科學院聲學研究所