專利名稱：一種實時頻域超分辨方位估計方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于聲納數(shù)字信號處理領(lǐng)域，特別涉及一種實時頻域超分辨方位估計方 法及裝置。
背景技術(shù)：
聲納數(shù)字信號處理的一個基本問題就是方位估計，即確定感興趣的空間信號的 方向，又稱目標(biāo)測向。高分辨方位估計，它是指采用某種算法，對陣列接受到的目 標(biāo)輻射或反射的時空二維信號進行處理，從而得到目標(biāo)方位的高分辨估計。超分辨 方位估計技術(shù)能超越傳統(tǒng)高分辨技術(shù)性能，在聲納、雷達及通信等領(lǐng)域有著廣泛的 應(yīng)用。
目前典型的用于聲納的高分辨方位估計算法有Capon法、窄帶二維頻域波束 形成法、MUSIC(多重信號分類)法、自適應(yīng)波束形成法以及ESPRIT (旋轉(zhuǎn)不變量信 號參數(shù)估計方法)法。
其中，窄帶二維頻域波束形成法(可參考文獻"孫長瑜等，二維頻域波束形成 方法，應(yīng)用聲學(xué)，1995"),是指在窄帶目標(biāo)信號輸入的條件下，在時域和空間域?qū)?輸入陣列數(shù)據(jù)進行FFT (快速傅立葉變換)，從而在頻域得到波束形成。所述窄帶二 維頻域波束形成法相對于Capon法等其它幾種典型方法，具有計算高效、快速，便 于DSP工程實現(xiàn)，能實現(xiàn)實時處理等優(yōu)點。所述窄帶二維頻域波束形成法的缺點是 只能處理窄帶信號，與測向時經(jīng)常遇到的寬帶信號不匹配，實用性差。
ESPRIT法(可參考文獻"RoyR等，ESPRIT-A Subspace Rotation叩proach to estimation of parameters of cissoids in noise,IEEE Trans.ASSP,1986")，是指一禾中禾U用 陣列傳感器分組所得的信號子空間中隱含的旋轉(zhuǎn)不變量實現(xiàn)測量來波方向的方法。 子空間的不變量是通過建立自相關(guān)和互相關(guān)矩陣來實現(xiàn)的。將原陣列分解為兩個子 陣，通過最小二乘(Least Square, LS)或總體最小二乘(Total Least Square, TLS)擬 合來估計子陣列的相移矩陣，從而得到目標(biāo)信號方位估計。所述ESPRIT法的缺陷是 在計算中涉及元素間互相關(guān)值的估計時，由于環(huán)境的不確定性，噪聲方差值的估計 經(jīng)常不準(zhǔn)確，所以從自相關(guān)和互相關(guān)矩陣中扣除估得的噪聲方差有時會出現(xiàn)致命錯 誤，從而造成系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，實用性能較差。
除此以外，近年來，由于現(xiàn)代信號處理理論的迅速發(fā)展，高階累積量、時-頻分 析、小波分析、循環(huán)平穩(wěn)信號分析與處理等理論和方法在水下目標(biāo)方位估計中也得到了廣泛的研究，但這些方法要么計算量巨大，系統(tǒng)難以負(fù)荷，要么穩(wěn)健性不高， 難以在實際的應(yīng)用中得到采用。
總體而言，由于聲納工作環(huán)境的惡劣性(噪聲模型易失配，海洋傳播信道的復(fù) 雜，陣形易失配，信噪比低等)，以上算法在現(xiàn)階段的實際應(yīng)用中，效果不是很理想， 實際應(yīng)用中迫切需要一種既能快速實現(xiàn)又具有高精度的方位估計方法及裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決現(xiàn)有技術(shù)中計算速度慢、穩(wěn)健性差、 難以處理寬帶目標(biāo)信號及分辨力不高的問題，提供一種用于線列陣的快速穩(wěn)健的高 精度的方位估計方法及裝置。本發(fā)明可以擴展到平面陣等其它接收陣。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的實時頻域超分辨方位估計方法包括以下步驟
1) 對線列陣進行劃分，得到Mi個子陣，所述Mi至少為2;
2) 對每個子陣的時空二維信號分別進行波束形成，得到每個子陣在掃描方位上 的輸出波束；
3) 在掃描方位上對各子陣的輸出波束進行代數(shù)組合得到多子陣合成處理后的波束。
上述技術(shù)方案中，還包括步驟4)在波束域內(nèi)通過能量檢測器掃描得到目標(biāo)方位。 上述技術(shù)方案中，所述步驟l)中，所述子陣可以是對單個線列陣在邏輯上進行 分割得到的，也可以是物理上區(qū)隔的多個單陣。
上述技術(shù)方案中，所述步驟l)包括如下子步驟
11) 在探測角度和探測頻帶內(nèi)，對任意角度任意頻點產(chǎn)生頻率-波數(shù)網(wǎng)格；
12) 產(chǎn)生子陣間延時表，所述子陣間延時表記錄子陣間每個頻點位置在每個掃 描角下的延時。
上述技術(shù)方案中，所述步驟2)中，所述輸出波束可以是時間-方位數(shù)據(jù)矩陣， 也可以是頻率-方位數(shù)據(jù)矩陣。
上述技術(shù)方案中，所述步驟2)包括如下子步驟
21) 用各子陣接收時空二維信號，對各子陣進行波束形成處理，所述波束形成 處理包括步驟22)至25);
22) 對子陣的各陣元上的接收數(shù)據(jù)在時間域上做快速傅立葉變換，獲得各陣元 的頻域數(shù)據(jù)；
23) 對子陣獲得的頻域數(shù)據(jù)，在空間域上補零，然后在目標(biāo)頻段內(nèi)的每一個頻 率分量上，做空間域快速傅立葉變換，得到一組與各頻點和波束相對應(yīng)的數(shù)據(jù)；24) 在處理帶寬內(nèi)的每一個頻點上，依據(jù)所述頻率-波數(shù)網(wǎng)格和子陣間延時表對 步驟23)得到的數(shù)據(jù)進行校正，得到頻率-方位數(shù)據(jù)矩陣；
25) 對步驟24)獲得的頻率-方位數(shù)據(jù)矩陣在頻域做反快速傅立葉變換，得到時 間-方位數(shù)據(jù)矩陣，并存儲子陣處理最終數(shù)據(jù)。
上述技術(shù)方案中，所述步驟3)包括如下子步驟
31) 對每一個子陣輸出的波束，在探測角度范圍內(nèi)的任意角度上，得到各子陣 輸出波束的絕對值和兩兩子陣間輸出波束差的絕對值；
32) 對上述波束絕對值進行代數(shù)組合，得到新的波束； 上述技術(shù)方案中，所述步驟4)包括如下子步驟
41)求步驟32)得到波束的能量，得到方位-幅度譜，在角度域內(nèi)幅度最大的位 置即認(rèn)為是目標(biāo)信號位置，輸出估計的目標(biāo)方位；
上述技術(shù)方案中，所述步驟l)中，對線列陣在邏輯上進行分割，子陣的劃分方 式有很多種，有三種常見的子陣劃分方式， 一種為子陣不重疊的劃分方式； 一種為 子陣重疊的劃分方式； 一種為子陣交叉的劃分方式。各子陣包含陣元數(shù)可以相等， 也可以不等。
上述技術(shù)方案中，所述步驟23)中，在做空間域快速傅立葉變換前，首先需要 在空間域?qū)υ瓟?shù)據(jù)進行補零。
上述技術(shù)方案中，所述在空間域?qū)υ瓟?shù)據(jù)進行補零既可以直接在原數(shù)據(jù)后直接 補零，也可以在原數(shù)據(jù)中插值補零。
上述技術(shù)方案中，所述步驟31)中，對各子陣輸出波束進行代數(shù)組合的公式如
下:
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中n稱為控制因子，取值范圍為正實數(shù)集；Q值的選擇區(qū)間為[1，M,-1]; Bj是第i個子陣輸出波束；Wi為正實數(shù)。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的另一目的，本發(fā)明提供的實時頻域超分辨方位估計裝置，包
括
子陣劃分單元，用于對線列陣進行劃分，得到M!個子陣，所述Mi至少為2;
波束形成單元，用于對每個子陣的時空二維信號分別進行波束形成，得到每個 子陣在掃描方位上的輸出波束；
合成處理單元，用于在掃描方位上對各子陣的輸出波束進行合成處理得到多子 陣合成波束；以及
目標(biāo)方位判定單元，用于根據(jù)合成處理單元得到的多子陣合成波束獲取目標(biāo)方位。
上述技術(shù)方案中，所述子陣劃分單元包括
頻率-波數(shù)網(wǎng)格生成單元，用于在探測角度和探測頻帶內(nèi)，對任意角度任意頻點 產(chǎn)生頻率-波數(shù)網(wǎng)格；以及
子陣間延時表生成單元，用于產(chǎn)生子陣間延時表，所述子陣間延時表記錄子陣 間每個頻點位置在每個掃描角下的延時。
上述技術(shù)方案中，所述波束形成單元包括
信號輸入單元，用于輸入各子陣所接收到的時空二維信號；
時間域快速傅立葉變換單元，用于對子陣的各陣元上的接收數(shù)據(jù)在時間域上做 快速傅立葉變換，獲得各陣元的頻域數(shù)據(jù)；
空間域快速傅立葉變換單元，用于對子陣獲得的頻域數(shù)據(jù)，在空間域上補零， 然后在目標(biāo)頻段內(nèi)的每一個頻率分量上，做空間域快速傅立葉變換，得到一組與各 頻點和波束相對應(yīng)的數(shù)據(jù)；
數(shù)據(jù)校正單元，用于在處理帶寬內(nèi)的每一個頻點上，依據(jù)所述頻率-波數(shù)網(wǎng)格和 子陣間延時表，對所述空間域快速傅立葉變換單元得到的數(shù)據(jù)進行校正，得到頻率-方位數(shù)據(jù)矩陣；以及
反快速傅立葉變換單元，用于對所述數(shù)據(jù)校正單元輸出的頻率-方位數(shù)據(jù)矩陣在 頻域做反快速傅立葉變換，得到時間-方位數(shù)據(jù)矩陣，并存儲子陣處理最終數(shù)據(jù)。
上述技術(shù)方案中，所述目標(biāo)方位判定單元包括
能譜計算單元，用于計算所述合成處理單元輸出的波束的能量，得到方位-幅度 譜；以及
判定單元，用于根據(jù)所述方位-幅度譜，找出在角度域內(nèi)幅度最大的位置并判定 該位置為目標(biāo)方位。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下技術(shù)效果
(1) 采用頻域波束形成，充分利用快速傅立葉變換的計算高效性，計算速度快， 便于DSP工程實現(xiàn)，能實現(xiàn)實時處理；
(2) 采用快速傅立葉變換，在頻域上運算，將寬帶信號分解為多個頻點信號， 對每一個頻點進行處理，適應(yīng)于寬帶噪聲目標(biāo)測向；
(3) 采用子陣處理，在子陣內(nèi)保證了信號的相關(guān)性，同時對各子陣輸出波束進 行代數(shù)組合，可以得到高分辨率的波束；
(4) 采用本發(fā)明后，與現(xiàn)有技術(shù)中的頻域波束形成算法相比較，可以得到主瓣 更窄，旁瓣強度更弱的波束輸出，從而得到更高分辨力的目標(biāo)方位估計。


以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實施例，其中
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的常規(guī)線列陣示意圖2是本發(fā)明中線列陣子陣分割方案示意圖3是本發(fā)明中頻率-波數(shù)網(wǎng)格的示意圖4是本發(fā)明實時高分辨方位估計方法的總體流程圖5是本發(fā)明實時高分辨方位估計方法的具體流程圖6是本發(fā)明實施例的聲納數(shù)據(jù)處理和顯控系統(tǒng)；
圖7是在一個仿真目標(biāo)下本發(fā)明實施例與現(xiàn)有技術(shù)的分辨效果對比圖； 圖8是在兩個仿真目標(biāo)下本發(fā)明實施例與現(xiàn)有技術(shù)的分辨效果對比圖； 圖9是采用頻域波束形成算法對實際數(shù)據(jù)處理后的效果圖；圖中白色表示目 標(biāo)的軌跡；
圖IO是本發(fā)明實施例用于對實際數(shù)據(jù)處理后的效果圖；圖中白色表示目標(biāo)的 軌跡。
具體實施例方式
本發(fā)明的基本構(gòu)思為利用快速傅立葉變換計算的高效性，結(jié)合頻域波束形成 算法、子陣處理技術(shù)和子陣波束代數(shù)組合技術(shù)，即可以大大降低計算的復(fù)雜性，同 時也能獲得高精度的寬帶目標(biāo)方位估計。本發(fā)明的總體流程如圖4所示。
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步的詳細(xì)描述
實施例1
如圖5所示，本實施例的用于線列陣的實時高分辨方位估計方法及裝置的具體步驟如下
步驟501:用單條線列陣接收時空二維信號，從而獲得該線列陣的各陣元時域數(shù)據(jù)。
步驟502:對該線列陣進行邏輯劃分，得到M,個子陣；
本步驟中，子陣的劃分方式主要有三種，如圖2所示，201為子陣不重疊的劃分 方式，這種劃分方式計算量小，適合于不是很長的線列陣；當(dāng)各個子陣中心之間的 距離過大時，不重疊的子陣劃分方式會導(dǎo)致輸出波束中出現(xiàn)柵瓣；202為子陣重疊的 劃分方式，這種方式由于陣元的重疊，可以避免柵瓣的出現(xiàn)，但是增加計算量；203 為子陣交叉的劃分方式，這種子陣劃分的方法，保留了整條線陣的分辨率，但是如 果子陣數(shù)過多，將不可避免出現(xiàn)柵瓣現(xiàn)象。本實施例中釆用201子陣不重疊的劃分 方式。
步驟503:對各子陣中的每個陣元，分別取一段時間內(nèi)的接收數(shù)據(jù)，在時間域上
做快速傅立葉變換(FFT)，得到各陣元的頻域數(shù)據(jù)，從而組成一個頻域-空間域數(shù)據(jù) 矩陣。
本歩驟中，需要注意的是因為取的數(shù)據(jù)長度越長，即數(shù)據(jù)矩陣維數(shù)越大，則
運算速度會相應(yīng)減慢。為了保證運算速度能夠滿足實時處理的要求，數(shù)據(jù)長度不宜
過大。 一般FFT運算點數(shù)為2的冪次方，通常取1024點、2048點等。
步驟504:在空間域上對上一歩的數(shù)據(jù)補零，然后對處理帶寬內(nèi)的每一個頻點， 在空間域上做快速傅立葉變換，得到一組與各頻點和波束相對應(yīng)的數(shù)據(jù),即頻率-波數(shù) 數(shù)據(jù)矩陣；
由于線陣總陣元數(shù)M—般不大，為了在空間域上做FFT后，頻率-波數(shù)網(wǎng)格(如 圖3所示)中有更"稠密"的分布，使得樣本點能接近任意的導(dǎo)向角，在空間域上對 數(shù)據(jù)補零至iVp點，Wp遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于M， 一般情況下，A^至少為M的8倍。
空間域補零可以有多種選擇。既可以直接在原數(shù)據(jù)后直接補零，也可以在原數(shù) 據(jù)中插值補零，只要補零后的數(shù)據(jù)長度滿足要求即可。
步驟505:為下一步的校正，預(yù)先產(chǎn)生頻率-波數(shù)網(wǎng)格。
具體地說，本步驟中，預(yù)先產(chǎn)生的頻率-波數(shù)網(wǎng)格由以下各式定義<formula>formula see original document page 10</formula>
這里fc是頻點，"/b,m)表示頻率-波數(shù)網(wǎng)格中頻點A和波數(shù)m位置的數(shù)據(jù)，乂,力 分別為采樣頻率和第k個頻點頻率，J是陣元間距，^是掃描角，iVp是空間域補零 后點數(shù)，W是FFT點數(shù)，row^O)表示取最接近x的整數(shù)，x(n,:)表示取矩陣x的第n行，c是聲波在水中的傳播速度。
步驟506:為了聚焦各子陣輸出波束，預(yù)先產(chǎn)生子陣延時表。本實施例做法是選
定一個基準(zhǔn)子陣，計算其它子陣與該基準(zhǔn)子陣間的延時表。不失一般性，把第一個 子陣作為所述基準(zhǔn)子陣，所述子陣延時表記錄其它子陣與第一個子陣間，每個頻點
位置在每個掃描角下的延時；
具體的說，本步驟中子陣間延時表的生成由下式?jīng)Q定
乂) = 2" * /*厶* " * sm(乂)，
上式中，乂為采樣頻率，"是子陣陣間距(即子陣中心之間的間距)，z'是處理 帶寬內(nèi)的頻點位置，7'是掃描角。
步驟507:在每一個頻點上依據(jù)預(yù)先產(chǎn)生的頻率-波數(shù)網(wǎng)格對由步驟503所得的 頻域-波數(shù)矩陣進行校正。
采用FFT實現(xiàn)頻域波束形成所對應(yīng)的角度是波數(shù)域上的值，不是真正的角度， 為了得到對應(yīng)真實的角度的值， 一般需要對其進行插值，插值一般意味著巨大的計 算量，本發(fā)明采用預(yù)先生成用來校正的頻率-波數(shù)網(wǎng)格的方法進行校正，該方法可參 考文獻"Brian Maranda , Efficient digital beamforming in the frequency domain, 1989, J.Acoustical Society of America"。
具體地說，本步驟中，頻率-波數(shù)網(wǎng)格校正由下式定義
，，:)=/2)
這里A:是頻點，P是空間域補零后FFT得到的數(shù)據(jù)，^是經(jīng)頻率-波數(shù)網(wǎng)格校正 后數(shù)據(jù)，iVp是空間域補零后點數(shù)，x(n，:)表示取矩陣x的第n行。
步驟508:依據(jù)子陣延時表，對各子陣輸出波束進行聚焦，輸出聚焦后的頻率-波數(shù)數(shù)據(jù)矩陣^ ;頻率-波數(shù)數(shù)據(jù)矩陣就是前文中所述的頻率-方位數(shù)據(jù)矩陣。
具體的說，本步驟中，頻率-波數(shù)網(wǎng)格校正后數(shù)據(jù)乘以一個延時量由下式定義
尸2 (/t， :) = P(/t, :) + W尸/ 2)，
S:)=尸2:) * exp(7 * w * cfe—(A:,:))
這里"P是子陣序號，^是頻點，^是空間域補零后FFT得到的數(shù)據(jù)，《是經(jīng)頻 率-波數(shù)網(wǎng)格校正后數(shù)據(jù)，《是經(jīng)頻率-波數(shù)網(wǎng)格校正后數(shù)據(jù)乘以一個延時量后的數(shù) 據(jù)，W^是空間域補零后點數(shù)，x(n,:)表示取矩陣x的第n行。
步驟509:對步驟508)獲得的頻率-波數(shù)數(shù)據(jù)矩陣在頻域做反快速傅立葉變換， 獲得時間-方位數(shù)據(jù)矩陣；
步驟510:各子陣輸出波束代數(shù)組合；所述各子陣輸出波束既可以是步驟508輸
11出聚焦后的頻率-波數(shù)數(shù)據(jù)矩陣,也可以是步驟509輸出的時間-方位數(shù)據(jù)矩陣。 本步驟是核心步驟，對各子陣輸出波束進行代數(shù)組合的公式如下 ￡ = (B — SMW " _ 5 — d///")""
A/
(■ = i
5 一樣=S wt |5, - ￡》'=1,2，…，M 1; ) = 1，2,…，Mp )"
A: =1
似2
其中n稱為控制因子，取值范圍為正實數(shù)集；Q值的選擇區(qū)間為[1，M,-1]; B,是第
i個子陣輸出波束；Wi為正實數(shù)， 一般可取為Q/M2。
在實際應(yīng)用中，控制因子n—般取為0.5， 1， 2，這樣便于實現(xiàn)。當(dāng)線列陣的總 陣元數(shù)32時，n取0.5。
步驟511:將步驟510獲得的波束共軛轉(zhuǎn)置與其自身相乘，結(jié)果即為在搜索方位 上的輸出功率；
本步驟中時間-波數(shù)數(shù)據(jù)矩陣的一列表示一個搜索方位， 一行表示一個時間點的 信號。
搜索角度的步長越小，輸出的波束越多，探測的精度也越高。
步驟512:輸出目標(biāo)方位估計；
本步驟中對各方位上的能量進行比較，取能量最大的方位位置為估計的目標(biāo)方位。
對長度很大的數(shù)據(jù)，可以采取分段處理的方法，對每個分段數(shù)據(jù)進行上述用于 線列陣的快速穩(wěn)健的高精度測向，再積累輸出各個分段的檢測結(jié)果。
圖7、圖8、圖9和圖10，可以看出，本發(fā)明與頻域常規(guī)波束形成算法相比，有 更窄的主瓣寬度，更高的主副瓣高度比和分辨率更高的性能。子陣數(shù)為4，每個子陣 陣元數(shù)為8，子陣間距為1.2m，控制因子等于0.5， Q值為3，公式510中的q均等 于1/2。
需要說明的是，本發(fā)明的子陣即可以是對單個線列陣在邏輯上進行分割得到的， 也可以是物理上區(qū)隔的多個單陣。采用物理上區(qū)隔的多個單陣時，在劃分子陣后的 處理步驟與上述步驟503至512完全一致。下面對本實施例的硬件環(huán)境的一個示例進行描述。
本實施例可以直接使用現(xiàn)有技術(shù)中的常規(guī)線列陣，如圖1所示，用于接收空間信號的線列陣聲納102的線陣是由32個市場所售常規(guī)的接收信號中心頻率為5000KHz的無指向性水聽器101組成，兩兩水聽器間的間隔是半個波長，從而線陣聲振段的總長度是4.65米。線列陣102安裝在潛艇或無人潛航器上。
圖6是本發(fā)明實施例的聲納數(shù)據(jù)處理和顯控系統(tǒng)。拖曳線列陣102和前置電路601從每個水聽器接收到模擬信號。前置電路601包括前放、濾波和其它常規(guī)的電路。每個通道的模擬信號輸入到A/D轉(zhuǎn)換器602得到數(shù)字信號。從A/D轉(zhuǎn)換器602出來的是多通道的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，每個通道的數(shù)據(jù)流對應(yīng)于一個水聽器接收到的模擬信號。將這些數(shù)據(jù)流輸入到微型處理器603。經(jīng)微型處理器603處理后的輸出信息可以存儲在數(shù)據(jù)存儲器件605，比如磁盤存儲設(shè)備中，或直接輸出到顯示設(shè)備606上顯示。
微型處理器603首先將接收到的數(shù)據(jù)流存儲到動態(tài)存取區(qū)604，在輸入滿足處理要求數(shù)量的數(shù)據(jù)流后就開始處理。圖5是算法具體流程示意圖，它包括時間域FFT503，空間域補零后做FFT504，頻率-波數(shù)網(wǎng)格505，產(chǎn)生子陣間延時表506，頻率-波數(shù)校正507，子陣聚焦508,頻域IFFT 509，各子陣輸出波束代數(shù)組合510，能量檢測511及目標(biāo)方位估計512。這些程序儲存在動態(tài)存取區(qū)604中。
因為本發(fā)明中的A/D轉(zhuǎn)換器602輸出的是多通道的數(shù)據(jù)流，因此可以采用多片的微型處理器來并行處理。能夠?qū)崿F(xiàn)圖6功能的其它一些硬件設(shè)備，比如專用硬件、基于應(yīng)用的集成電路(ASIC)、 DSP、 ARM等都可以用來代替微型處理器603。
最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1、一種實時頻域超分辨方位估計方法，包括以下步驟1)對線列陣進行劃分，得到M1個子陣，所述M1至少為2；2)對每個子陣的時空二維信號分別進行波束形成，得到每個子陣在掃描方位上的輸出波束；3)在掃描方位上對各子陣的輸出波束進行合成處理得到多子陣合成波束；4)根據(jù)步驟3)得出的多子陣合成波束獲取目標(biāo)方位。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實時頻域超分辨方位估計方法，其特征在于，所述步 驟O中，所述子陣是對單個線列陣在邏輯上進行分割得到的子陣，或者是物理上區(qū) 隔的多個單陣。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實時頻域超分辨方位估計方法，其特征在于，所述步 驟l)中，所述子陣是對單個線列陣在邏輯上進行分割得到，所述子陣的分割方式包 括子陣不重疊的劃分方式、子陣重疊的劃分方式或者子陣交叉的劃分方式。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實時頻域超分辨方位估計方法，其特征在于，所述歩驟l)包括如下子歩驟11) 在探測角度和探測頻帶內(nèi)，對任意角度任意頻點產(chǎn)生頻率-波數(shù)網(wǎng)格；12) 產(chǎn)生子陣間延時表，所述子陣間延時表記錄子陣間每個頻點位置在每個掃 描角下的延時。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實時頻域超分辨方位估計方法，其特征在于，所述步 驟2)中，所述輸出波束可以是時間-方位數(shù)據(jù)矩陣，也可以是頻率-方位數(shù)據(jù)矩陣。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的實時頻域超分辨方位估計方法，其特征在于，所述步 驟2)包括如下子歩驟21) 用各子陣接收時空二維信號，對各子陣進行波束形成處理，所述波束形成 處理包括步驟22)至25);22) 對子陣的各陣元上的接收數(shù)據(jù)在時間域上做快速傅立葉變換，獲得各陣元 的頻域數(shù)據(jù)；23) 對子陣獲得的頻域數(shù)據(jù)，在空間域上補零，然后在目標(biāo)頻段內(nèi)的每一個頻 率分量上，做空間域快速傅立葉變換，得到一組與各頻點和波束相對應(yīng)的數(shù)據(jù)；24) 在處理帶寬內(nèi)的每一個頻點上，依據(jù)所述頻率-波數(shù)網(wǎng)格和子陣間延時表對 步驟23)得到的數(shù)據(jù)進行校正，得到頻率-方位數(shù)據(jù)矩陣；25) 對步驟24)獲得的頻率-方位數(shù)據(jù)矩陣在頻域做反快速傅立葉變換，得到時間-方位數(shù)據(jù)矩陣，并存儲子陣處理最終數(shù)據(jù)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實時頻域超分辨方位估計方法，其特征在于，所述步 驟3)包括如下子步驟31) 對每一個子陣輸出的波束，在探測角度范圍內(nèi)的任意角度上，得到各子陣 輸出波束的絕對值和兩兩子陣間輸出波束差的絕對值；32) 對所述各子陣輸出波束的絕對值和，以及兩兩子陣間輸出波束差的絕對值 進行代數(shù)組合，得到合成處理后的波束。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的實時頻域超分辨方位估計方法，其特征在于，所述歩 驟4)包括如下子步驟41) 求步驟32)得到波束的能量，得到方位-幅度譜；42) 根據(jù)步驟41)得出的方位-幅度譜，找出在角度域內(nèi)幅度最大的位置并判定 該位置為目標(biāo)方位。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的實時頻域超分辨方位估計方法，其特征在于，所述步 驟23)中，在做空問域快速傅立葉變換前，首先需要在空間域?qū)υ瓟?shù)據(jù)進行補零。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的實時頻域超分辨方位估計方法，其特征在于，所述 步驟31)中，對各子陣輸出波束進行代數(shù)組合的公式如下5 二 (B 一 st/m " — 5 — )〃"S — S詣=J] I5 — = Z^ — ，i = 1，2，…，似'，乂 = 1,2,…，M ,， y ^A =1W 2 ^ W ! 2其中n稱為控制因子，取值范圍為正實數(shù)集Q值的選擇區(qū)間為[l,M,-1]; Bj是第 i個子陣輸出波束；Wi為正實數(shù)。
11、 一種實時頻域超分辨方位估計裝置，包括子陣劃分單元，用于對線列陣進行劃分，得到M!個子陣，所述M!至少為2; 波束形成單元，用于對每個子陣的時空二維信號分別進行波束形成，得到每個子陣在掃描方位上的輸出波束；合成處理單元，用于在掃描方位上對各子陣的輸出波束進行合成處理得到多子 陣合成波束；以及目標(biāo)方位判定單元，用于根據(jù)合成處理單元得到的多子陣合成波束獲取目標(biāo)方位。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的實時頻域超分辨方位估計裝置，其特征在于，所述 子陣劃分單元包括頻率-波數(shù)網(wǎng)格生成單元，用于在探測角度和探測頻帶內(nèi)，對任意角度任意頻點 產(chǎn)生頻率-波數(shù)網(wǎng)格；以及子陣間延時表生成單元，用于產(chǎn)生子陣間延時表，所述子陣間延時表記錄子陣 間每個頻點位置在每個掃描角下的延時。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的實時頻域超分辨方位估計裝置，其特征在于，所述 波束形成單元包括信號輸入單元，用于輸入各子陣所接收到的時空二維信號；時間域快速傅立葉變換單元，用于對子陣的各陣元上的接收數(shù)據(jù)在時間域上做 快速傅立葉變換，獲得各陣元的頻域數(shù)據(jù)；空間域快速傅立葉變換單元，用于對子陣獲得的頻域數(shù)據(jù)，在空間域上補零， 然后在目標(biāo)頻段內(nèi)的每一個頻率分量上，做空間域快速傅立葉變換，得到一組與各 頻點和波束相對應(yīng)的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)校正單元，用于在處理帶寬內(nèi)的每一個頻點上，依據(jù)所述頻率-波數(shù)網(wǎng)格和 子陣間延時表，對所述空間域快速傅立葉變換單元得到的數(shù)據(jù)進行校正，得到頻率-方位數(shù)據(jù)矩陣；以及反快速傅立葉變換單元，用于對所述數(shù)據(jù)校正單元輸出的頻率-方位數(shù)據(jù)矩陣在 頻域做反快速傅立葉變換，得到時間-方位數(shù)據(jù)矩陣，并存儲子陣處理最終數(shù)據(jù)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的實時頻域超分辨方位估計裝置，其特征在于，所述 目標(biāo)方位判定單元包括能譜計算單元，用于計算所述合成處理單元輸出的波束的能量，得到方位-幅度 譜；以及判定單元，用于根據(jù)所述方位-幅度譜，找出在角度域內(nèi)幅度最大的位置并判定 該位置為目標(biāo)方位。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種實時頻域超分辨方位估計方法及裝置，包括1)對線列陣進行劃分，得到M₁個子陣；2)對每個子陣的時空二維信號分別進行波束形成，得到每個子陣在掃描方位上的輸出波束；3)在掃描方位上對各子陣的輸出波束進行合成處理得到多子陣合成波束；4)根據(jù)步驟3)得出的多子陣合成波束獲取目標(biāo)方位。本發(fā)明還提供了實時頻域超分辨方位估計裝置。本發(fā)明具有如下技術(shù)效果(1)計算高效，速度快，便于DSP工程實現(xiàn)，能實現(xiàn)實時處理；(2)適應(yīng)于寬帶噪聲目標(biāo)測向；(3)可以得到高分辨率的波束；(4)與現(xiàn)有技術(shù)中的頻域波束形成算法相比較，可以得到主瓣更窄，旁瓣強度更弱的波束輸出，從而得到更高分辨力的目標(biāo)方位估計。
文檔編號G01S15/06GK101644773SQ200910080399
公開日2010年2月10日 申請日期2009年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月20日
發(fā)明者宇 李, 彪 田, 黃海寧 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所