[发明专利]一种实时频域超分辨方位估计方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于声纳数字信号处理领域，特别涉及一种实时频域超分辨方位估计方法及装置。 

背景技术

声纳数字信号处理的一个基本问题就是方位估计，即确定感兴趣的空间信号的方向，又称目标测向。高分辨方位估计，它是指采用某种算法，对阵列接受到的目标辐射或反射的时空二维信号进行处理，从而得到目标方位的高分辨估计。超分辨方位估计技术能超越传统高分辨技术性能，在声纳、雷达及通信等领域有着广泛的应用。 

目前典型的用于声纳的高分辨方位估计算法有：Capon法、窄带二维频域波束形成法、MUSIC(多重信号分类)法、自适应波束形成法以及ESPRIT(旋转不变量信号参数估计方法)法。 

其中，窄带二维频域波束形成法(可参考文献：“孙长瑜等，二维频域波束形成方法，应用声学，1995”)，是指在窄带目标信号输入的条件下，在时域和空间域对输入阵列数据进行FFT(快速傅立叶变换)，从而在频域得到波束形成。所述窄带二维频域波束形成法相对于Capon法等其它几种典型方法，具有计算高效、快速，便于DSP工程实现，能实现实时处理等优点。所述窄带二维频域波束形成法的缺点是：只能处理窄带信号，与测向时经常遇到的宽带信号不匹配，实用性差。 

ESPRIT法(可参考文献：“Roy R等，ESPRIT-A Subspace Rotation approach toestimation of parameters of cissoids in noise，IEEE Trans.ASSP，1986”)，是指一种利用阵列传感器分组所得的信号子空间中隐含的旋转不变量实现测量来波方向的方法。子空间的不变量是通过建立自相关和互相关矩阵来实现的。将原阵列分解为两个子阵，通过最小二乘(Least Square，LS)或总体最小二乘(Total Least Square，TLS)拟合来估计子阵列的相移矩阵，从而得到目标信号方位估计。所述ESPRIT法的缺陷是：在计算中涉及元素间互相关值的估计时，由于环境的不确定性，噪声方差值的估计经常不准确，所以从自相关和互相关矩阵中扣除估得的噪声方差有时会出现致命错误，从而造成系统的稳定性差，实用性能较差。 

除此以外，近年来，由于现代信号处理理论的迅速发展，高阶累积量、时-频分析、小波分析、循环平稳信号分析与处理等理论和方法在水下目标方位估计中也得 到了广泛的研究，但这些方法要么计算量巨大，系统难以负荷，要么稳健性不高，难以在实际的应用中得到采用。 

总体而言，由于声纳工作环境的恶劣性(噪声模型易失配，海洋传播信道的复杂，阵形易失配，信噪比低等)，以上算法在现阶段的实际应用中，效果不是很理想，实际应用中迫切需要一种既能快速实现又具有高精度的方位估计方法及装置。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，解决现有技术中计算速度慢、稳健性差、难以处理宽带目标信号及分辨力不高的问题，提供一种用于线列阵的快速稳健的高精度的方位估计方法及装置。本发明可以扩展到平面阵等其它接收阵。 

为了实现上述目的，本发明提供的实时频域超分辨方位估计方法包括以下步骤： 

1)对线列阵进行划分，得到M₁个子阵，所述M₁至少为2； 

2)对每个子阵的时空二维信号分别进行波束形成，得到每个子阵在扫描方位上的输出波束； 

3)在扫描方位上对各子阵的输出波束进行代数组合得到多子阵合成处理后的波束。 

上述技术方案中，还包括步骤4)在波束域内通过能量检测器扫描得到目标方位。 

上述技术方案中，所述步骤1)中，所述子阵可以是对单个线列阵在逻辑上进行分割得到的，也可以是物理上区隔的多个单阵。 

上述技术方案中，所述步骤1)包括如下子步骤： 

11)在探测角度和探测频带内，对任意角度任意频点产生频率-波数网格； 

12)产生子阵间延时表，所述子阵间延时表记录子阵间每个频点位置在每个扫描角下的延时。 

上述技术方案中，所述步骤2)中，所述输出波束可以是时间-方位数据矩阵，也可以是频率-方位数据矩阵。 

上述技术方案中，所述步骤2)包括如下子步骤： 

21)用各子阵接收时空二维信号，对各子阵进行波束形成处理，所述波束形成处理包括步骤22)至25)； 

22)对子阵的各阵元上的接收数据在时间域上做快速傅立叶变换，获得各阵元的频域数据；