一種基于互相關虛擬陣的五元體積陣多目標方位估計方法技術

本發明專利技術提供了一種基于互相關虛擬陣的五元體積陣多目標方位估計方法，使用的五元體積陣結構獲取各陣元在多個窄帶信源入射下的接收信號；在各陣元接收信號之間做互相關處理，得到一個25元虛擬體積陣以及對應的輸出序列；將同一位置上重疊的虛擬陣元所對應的輸出序列求平均，得到一個17元虛擬體積陣以及對應的輸出序列；對所獲得的17元虛擬體積陣的輸出序列采用MVDR方法進行二維方位估計，獲得多個目標對應的方位角和俯仰角。本發明專利技術增加了陣列自由度，并且抑制了噪聲，從而提高五元體積陣在低信噪比下方位估計的性能。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種目標方位估計方法。
技術介紹
在低空目標探測等方面，小尺度基陣以結構簡單、布放便利等特性得以廣泛應用(徐小哲，小尺度基陣空氣聲被動定向[D].西北工業大學,2005.)。而傳統的目標方位估計方法，如常規波束形成法(ConventionalBeamForming，CBF)、最小方差無失真響應法(MinimumVarianceDistortionlessResponse，MVDR)和多重信號分類法(MUltipleSIgnalClassification,MUSIC)，在滿足陣元間距等于半波長條件的大型基陣中具有很好的目標方位估計效果。但是小尺度基陣的陣元間距小且陣元數目少，并且所探測目標的信號頻率范圍較廣，導致陣元間距無法滿足半波長的條件，因此將傳統的方位估計方法應用于小尺度基陣時，方位估計性能較差。為了提高小尺度基陣的目標方位估計性能，王學青(王學青，時銀水，朱巖.四元平面方陣對空聲時延定位誤差分析[J].電聲技術,2005(11):4-6.)、程翔(程翔，張河.高低四元陣定位算法及其精度分析[J].探測與控制學報,2006,28(4):12-14.)、孫書學(孫書學，顧曉輝，孫曉霞.用正四棱錐形陣對聲目標定位研究[J].應用聲學,2006,25(2):102-108.)和林曉東(林曉東，吳松林，張川.六元探測基陣被動聲定位算法及其性能研究[J].聲學技術,2008,27(2):192-196.)等人研究了不同陣型的小尺度基陣目標方位估計的性能和影響因素。但是，上述研究中的方法都是直接根據陣元接收信號間的時延差和數學模型計算出目標的方位和距離，對目標方位估計算法沒有更深入的研究。另外，未考慮多目標情況下的目標分辨問題，同時也未考慮信噪比(Signal-to-NoiseRatio，SNR)對方位估計的影響。
技術實現思路
為了克服現有技術的不足，本專利技術針對五元體積陣提出一種基于互相關虛擬陣列的最小方差無失真響應(Cross-CorrelationMinimumVarianceDistortionlessResponse,CC_MVDR)多目標方位估計方法，將互相關處理和Toeplitz平均處理相結合，有效改善傳統方法在低信噪比下目標方位估計的性能，提高五元體積陣多目標方位估計的性能。本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：1)獲取五元體積陣各陣元在D個窄帶信源入射下的接收信號X(t)；其中，窄帶信源的頻率由五元體積陣所探測目標的頻率特性確定，而常見的直升機、坦克和裝甲車等目標噪聲信號的頻率范圍都在400Hz以內；所述的五元體積陣由5個麥克風Sm作為陣元組成，4個陣元位于正方形的四個頂點，第5個陣元位于正方形中心的正上方，第m個陣元的位置坐標記為Pm，m＝1,2,…,5，五個陣元到正方形中心的距離均為r，其值為信號波長的四分之一；假設目標位于(x，y，z)處，與坐標原點的連線和Z軸正方向的夾角定義為俯仰角連線在XOY平面的投影和X軸正方向的夾角定義為方位角θ；每個窄帶信源相對于五元體積陣的方位為d＝1,2,…,D，信號的時域快拍數為L，各陣元上的加性白噪聲彼此獨立，且為平穩、零均值高斯白噪聲，方差為σ2，則陣元的接收信號X(t)＝VS(t)+N(t)，其中，X(t)＝[X1(t)X2(t)…X5(t)]T為5×L維基陣接收數據矩陣，其中Xm(t)為陣元m的接收數據向量；S(t)為D×L維目標信號數據矩陣；N(t)為5×L維基陣接收噪聲數據矩陣；為陣列流形向量組成的矩陣，其中目標d的陣列流形向量式中，為波數向量，λd為信號的波長；2)在各陣元接收信號之間做互相關處理，由此得到一個25元虛擬體積陣Pij＝Pj-Pi以及對應的輸出序列i,j＝1,2,…,5，式中，表示i號陣元接收信號Xi(t)的共軛，τ的取值范圍為[-(L-1),L-1]，E[]表示求期望；3)在得到的25元虛擬體積陣中，將同一位置上重疊的虛擬陣元所對應的輸出序列求平均，作為該位置上新的虛擬陣元輸出序列，得到一個17元虛擬體積陣以及對應的輸出序列；4)對所獲得的17元虛擬體積陣的輸出序列Y求協方差矩陣R＝YYH；采用MVDR方法進行二維方位估計，獲得二維空間功率譜式中，為17×1維空間掃描向量，R-1表示協方差矩陣R的逆；最后根據二維空間功率譜圖中峰值的數目和對應的位置確定目標的數目和各目標的方位角、俯仰角。本專利技術的有益效果是：通過在接收信號之間做互相關處理和求平均處理，將五元體積陣擴展到17元虛擬體積陣，增加了陣列自由度，并且抑制了噪聲，從而提高五元體積陣在低信噪比下方位估計的性能。本專利技術的基本原理經過了理論推導，實施方案經過了計算機數值仿真的驗證，其結果表明本專利技術提出的方法可以有效地提升五元體積陣目標方位估計的性能。附圖說明圖1是本專利技術中使用的五元體積陣示意圖；圖2是經過互相關處理后得到的25元虛擬陣示意圖；圖3是SNR＝0dB時目標方位估計結果圖；圖4是SNR＝0dB時MVDR方法的二維方位譜圖；圖5是SNR＝0dB時CC_MVDR方法的二維方位譜圖；圖6是SNR＝-10dB時目標方位估計結果圖；圖7是SNR＝-10dB時MVDR方法的二維方位譜圖；圖8是SNR＝-10dB時CC_MVDR方法的二維方位譜圖。具體實施方式下面結合附圖和實施實例對本專利技術進一步說明，本專利技術包括但不僅限于下述實例。本專利技術的主要內容有：1)針對圖1所示的五元體積陣(4個陣元位于正方形的四個頂點，第5個陣元位于正方形中心的正上方，五個陣元到正方形中心的距離為r，r取值為信號波長的四分之一)，利用各陣元上接收信號相關性較高而噪聲相關性較低的特性，在各陣元的接收信號之間做互相關處理以抑制噪聲，并得到一個25元虛擬體積陣以及對應的輸出序列。對25元虛擬體積陣中位置重疊的虛擬陣元上的輸出序列求平均，得到一個17元虛擬體積陣以及對應的輸出序列。最后，利用MVDR方法處理17元虛擬體積陣的輸出序列，獲得多個目標的二維方位估計結果。2)通過計算機數值仿真，對本專利技術所提出的基于互相關處理的五元體積陣MVDR多目標方位估計方法進行了檢驗，證明了本專利技術中針對五元體積陣提出的多目標方位估計方法的有效性。本專利技術解決現存問題所采用的技術方案可分為以下4個步驟：1)針對本專利技術所使用的五元體積陣結構(陣列結構如圖1所示，即4個陣元位于正方形的四個頂點，第5個陣元位于正方形中心的正上方，五個陣元到正方形中心的距離為r，r取值為信號波長的四分之一)，獲取各陣元在多個窄帶信源入射下的接收信號；2)在各陣元接收信號之間做互相關處理，由此得到一個25元虛擬體積陣以及對應的輸出序列；3)在得到的25元虛擬體積陣中，(0，0，0)坐標處有五個重疊的虛擬陣元；(r，r，0)坐標處有兩個重疊的虛擬陣元；(-r，r，0)坐標處有兩個重疊的虛擬陣元；(-r，-r，0)坐標處有兩個重疊的虛擬陣元；(r，-r，0)坐標處有兩個重疊的虛擬陣元。將同一位置上重疊的虛擬陣元所對應的輸出序列求平均，作為該位置上新的虛擬陣元輸出序列，即：(0，0，0)坐標處是五個重疊的虛擬陣元上輸出序列的平均，(r，r，0)坐標、(-r，r，0)坐標、(-r，-r，0)坐標和(r，-r，0)坐標分別是兩個重疊的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于互相關虛擬陣的五元體積陣多目標方位估計方法，其特征在于包括下述步驟：1)獲取五元體積陣各陣元在D個窄帶信源入射下的接收信號X(t)；所述的五元體積陣由5個麥克風Sm作為陣元組成，4個陣元位于正方形的四個頂點，第5個陣元位于正方形中心的正上方，第m個陣元的位置坐標記為Pm，m＝1,2,…,5，五個陣元到正方形中心的距離均為r，其值為信號波長的四分之一；假設目標位于(x，y，z)處，與坐標原點的連線和Z軸正方向的夾角定義為俯仰角連線在XOY平面的投影和X軸正方向的夾角定義為方位角θ；每個窄帶信源相對于五元體積陣的方位為d＝1,2,…,D，信號的時域快拍數為L，各陣元上的加性白噪聲彼此獨立，且為平穩、零均值高斯白噪聲，方差為σ2，則陣元的接收信號X(t)＝VS(t)+N(t)，其中，X(t)＝[X1(t)X2(t)…X5(t)]T為5×L維基陣接收數據矩陣，其中Xm(t)為陣元m的接收數據向量；S(t)為D×L維目標信號數據矩陣；N(t)為5×L維基陣接收噪聲數據矩陣；為陣列流形向量組成的矩陣，其中目標d的陣列流形向量式中，為波數向量，λd為信號的波長；2)在各陣元接收信號之間做互相關處理，由此得到一個25元虛擬體積陣Pij＝Pj?Pi以及對應的輸出序列i,j＝1,2,…,5，式中，表示i號陣元接收信號Xi(t)的共軛，τ的取值范圍為[?(L?1),L?1]，E[]表示求期望；3)在得到的25元虛擬體積陣中，將同一位置上重疊的虛擬陣元所對應的輸出序列求平均，作為該位置上新的虛擬陣元輸出序列，得到一個17元虛擬體積陣以及對應的輸出序列；4)對所獲得的17元虛擬體積陣的輸出序列Y求協方差矩陣R＝YYH；采用MVDR方法進行二維方位估計，獲得二維空間功率譜式中，為17×1維空間掃描向量，R?1表示協方差矩陣R的逆；最后根據二維空間功率譜圖中峰值的數目和對應的位置確定目標的數目和各目標的方位角、俯仰角。...

【技術特征摘要】
1.一種基于互相關虛擬陣的五元體積陣多目標方位估計方法，其特征在于包括下述步驟：1)獲取五元體積陣各陣元在D個窄帶信源入射下的接收信號X(t)；所述的五元體積陣由5個麥克風Sm作為陣元組成，4個陣元位于正方形的四個頂點，第5個陣元位于正方形中心的正上方，第m個陣元的位置坐標記為Pm，m＝1,2,…,5，五個陣元到正方形中心的距離均為r，其值為信號波長的四分之一；假設目標位于(x，y，z)處，與坐標原點的連線和Z軸正方向的夾角定義為俯仰角連線在XOY平面的投影和X軸正方向的夾角定義為方位角θ；每個窄帶信源相對于五元體積陣的方位為d＝1,2,…,D，信號的時域快拍數為L，各陣元上的加性白噪聲彼此獨立，且為平穩、零均值高斯白噪聲，方差為σ2，則陣元的接收信號X(t)＝VS(t)+N(t)，其中，X(t)＝[X1(t)X2(t)…X5(t)]T為5×L維基陣接收數據矩陣，其中Xm(t)為陣元m的接收數據向量；S...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫超，蔣國慶，劉雄厚，榮英佼，
申請(專利權)人：西北工業大學，中國人民解放軍六三九八三部隊，
類型：發明
國別省市：陜西;61