CN113176533A - 水声通信信号的测向方法、装置及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种水声通信信号的测向方法、装置及电子设备。本申请在传统的波束形成的基础上，利用非均匀线性排列的多个阵元进行水声通信信号的测向，通过多个阵元的频域数据构造了整阵域和至少两个子阵域的协方差矩阵及至少两个子阵域的互相关矩阵，通过对整阵域和至少两个子阵域的协方差矩阵和导引向量的加权处理，以及互相关矩阵和各子阵域的导引向量的加权处理，得到了通信信号在所有扫描频点和扫描方位上的空间分布，利用至少两个子阵域及其互相关矩阵的波束输出得到了一组非线性加权系数，从而利用该组非线性加权系数对传统的波束输出进行加权处理，得到最优的波束输出。该测向方法相比于传统的测向方法有着更高的空间分辨能力和稳健性。
Description
技术领域
本申请涉及水下目标检测技术领域，具体涉及一种水声通信信号的测向方法、装置及电子设备。
背景技术
水下目标检测对于军事、勘测等领域都具有十分重要的意义。水下目标检测通常采用阵元信号处理波束形成的方法来估计波达方向，获取空间信息，并利用检测能量的方法来检测目标信号的有无。
利用水下阵元信号处理技术进行目标检测时需要解决阵元孔径较小造成分辨率不高和阵元接收到的噪声是空间相关的色噪声等问题。空间色噪声背景下，使用传统的波束形成(Conventional Beamforming，简称CBF)不能使阵元达到理想的空间增益，且分辨率较低，因此CBF方法在小孔径阵元进行能量检测时不能达到满意的检测效果。
最小方差无失真响应(Minimum variance distortionless response，简称MVDR)波束形成方法具有对空间相关的色噪声解相关的能力，因此使用MVDR方法能在一定程度上缓解小孔径阵元阵元接收到的噪声相关性强造成的影响，其检测性能也优于常规波束形成器，但由于MVDR方法对目标方向上的信号平均功率最小的约束和输出信号无失真的约束，使得MVDR波束形成器的可应用性受到了限制。
发明内容
有鉴于此，本申请的主要目的在于提供了一种水声通信信号的测向方法、装置及电子设备，用于解决现有的水声通信信号的测向方法可应用性不够高的技术问题。
依据本申请的第一方面，提供了一种水声通信信号的测向方法，包括：
获取非均匀线性排列的多个阵元接收到的水声通信信号的频域数据；
根据各个阵元的频域数据，确定整阵域的协方差矩阵和整阵域的导引向量，以及对至少两个子阵域确定各子阵域的协方差矩阵和各子阵域的导引向量，并确定所述至少两个子阵域的互相关矩阵；
根据整阵域的协方差矩阵和整阵域的导引向量，确定整阵域在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出；根据各子阵域的协方差矩阵和各子阵域的导引向量，确定各子阵域在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出，以及根据所述至少两个子阵域的互相关矩阵和各子阵域的导引向量，确定所述至少两个子阵域的互相关矩阵在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出；
根据所述至少两个子阵域及它们的互相关矩阵的波束输出，得到一组非线性加权系数；
根据所述一组非线性加权系数和所述整阵域的波束输出，确定最终的波束输出，以根据所述最终的波束输出得到所述水声通信信号的测向。
依据本申请的第二方面，提供了一种水声通信信号的测向装置，包括：
频域数据获取单元，用于获取非均匀线性排列的多个阵元接收到的水声通信信号的频域数据；
矩阵和导引向量确定单元，用于根据各个阵元的频域数据，确定整阵域的协方差矩阵和整阵域的导引向量，以及对至少两个子阵域确定各子阵域的协方差矩阵和各子阵域的导引向量，并确定所述至少两个子阵域的互相关矩阵；
波束输出确定单元，用于根据整阵域的协方差矩阵和整阵域的导引向量，确定整阵域在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出；根据各子阵域的协方差矩阵和各子阵域的导引向量，确定各子阵域在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出，以及根据所述至少两个子阵域的互相关矩阵和各子阵域的导引向量，确定所述至少两个子阵域的互相关矩阵在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出；
非线性加权系数确定单元，用于根据所述至少两个子阵域及它们的互相关矩阵的波束输出，得到一组非线性加权系数；
测向单元，用于根据所述一组非线性加权系数和所述整阵域的波束输出，确定最终的波束输出，以根据所述最终的波束输出得到所述水声通信信号的测向。
依据本申请的第三方面，提供了一种电子设备，包括：处理器，存储计算机可执行指令的存储器，
所述可执行指令在被所述处理器执行时，实现前述水声通信信号的测向方法。
依据本申请的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序当被处理器执行时，实现前述的水声通信信号的测向方法。
本申请的有益效果是：本申请实施例的水声通信信号的测向方法在传统的波束形成的基础上，利用非均匀线性排列的多个阵元进行水声通信信号的测向处理，通过多个阵元的频域数据构造了整阵域和至少两个子阵域的协方差矩阵以及该至少两个子阵域的互相关矩阵，通过对整阵域和至少两个子阵域的协方差矩阵和导引向量的加权处理，以及互相关矩阵和各子阵域的导引向量的加权处理，得到了通信信号在所有扫描频点和扫描方位上的空间分布，之后利用至少两个子阵域及它们的互相关矩阵的波束输出得到了一组非线性加权系数，从而利用该组非线性加权系数对传统的波束输出进行加权处理，最后得到最优的波束输出。该测向方法相比于传统的测向方法有着更高的空间分辨能力和稳健性，因此具有较高的实际应用价值。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本申请一个实施例的水声通信信号的测向方法的流程示意图；
图2为本申请一个实施例的水声通信信号的测向方法与标准CBF方法的空间谱比对图；
图3为本申请一个实施例的水声通信信号的测向方法与标准MVDR方法的空间谱比对图；
图4为本申请一个实施例的水声通信信号的测向方法与标准CBF方法的测向性能比对图；
图5为本申请一个实施例的水声通信信号的测向方法与标准MVDR方法的测向性能比对图；
图6为本申请一个实施例的水声通信信号的测向装置的框图；
图7为本申请一个实施例中电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本申请的示例性实施例。提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请的范围完整的传达给本领域的技术人员。虽然附图中显示了本申请的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施例所限制。
图1示出了根据本申请一个实施例的水声通信信号的测向方法的流程示意图，参见图1，本申请实施例的水声通信信号的测向方法包括如下步骤S110至步骤S150：
步骤S110，获取非均匀线性排列的多个阵元接收到的水声通信信号的频域数据。
本申请实施例的水声通信信号的测向方法预先在水下的指定位置布放了多个阵元，多个阵元按照线性依次排列，整体构成一个阵列，任意相邻两个阵元之间的间隔设置为非均匀间隔，以保证空间分辨力不模糊，进而实现超宽带、覆盖信号更广、更全面的测向效果。
例如可以在水下的阵元布放平台上设置4个阵元，4个阵元的阵元间隔可以依次设置为0.1m、0.15m和0.225m。当然，本领域技术人员也可根据实际情况灵活设置阵元的数量和阵元的布放方式，在此不一一列举。
在完成阵元的布放后，可以通过多个阵元接收到水声通信信号的频域数据，作为后续测向的基础数据。
步骤S120，根据各个阵元的频域数据，确定整阵域的协方差矩阵和整阵域的导引向量，以及对至少两个子阵域确定各子阵域的协方差矩阵和各子阵域的导引向量，并确定至少两个子阵域的互相关矩阵。
在得到各个阵元的频域数据后，需要计算由全部阵元构成的整阵域的协方差矩阵R及其导引向量a。这里为了进一步提高现有测向方案的空间分辨能力和稳健性，本申请实施例在现有的整阵域的基础上，进一步将整阵域划分为至少两个子阵域，然后分别计算了每个子阵域的协方差矩阵R1和R2及每个子阵域的导引向量a1和a2，同时还计算了至少两个子阵域之间的互相关矩阵R12。为了计算方便，各个子阵域的导引向量可以直接在整阵域的导引向量中抽取得到。
例如，4个阵元构成的阵列依次排列为阵元A、阵元B、阵元C和阵元D，那么阵元A、阵元B、阵元C和阵元D作为一个整体可以构成一个整阵域，而阵元A和阵元C作为一个整体可以构成第一子阵域，阵元B和阵元D作为一个整体可以构成第二子阵域，根据第一子阵域与第二子阵域还可以得到一个互相关矩阵。可以理解，子阵域的数量和阵元的数量有关，如果有三个子阵域，则对应可以得到两个互相关矩阵，也即对于更多数量的阵元来说，可以确定出更多数量的子阵域和互相关矩阵。
具体地，以4个阵元为例，其中：
R＝XXH， (1)
R1＝R(1:N/2,1:N/2)， (2)
R2＝R(1+N/2:N,1+N/2:N)， (3)
R12＝R(1:N/2,1+N/2:N)， (4)
a(θ,f)＝e-j2πf·d_vecm·cosθ/c， (5)
a1＝a(1:N/2,θ)， (6)
a2＝a(1+N/2:N,θ)， (7)
其中，X表示各个阵元接收到的频域数据，H表示共轭转置，N表示阵元的数量，f表示指定的扫描频点；d_vecm＝x·cosθ+y·sinθ表示与阵元坐标位置相关的矢量，x,y表示阵元的横纵坐标，d_vecm表示导引向量中的位置矢量，θ表示指定的扫描方位。
步骤S130，根据整阵域的协方差矩阵和整阵域的导引向量，确定整阵域在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出；根据各子阵域的协方差矩阵和各子阵域的导引向量，确定各子阵域在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出，以及根据至少两个子阵域的互相关矩阵和各子阵域的导引向量，确定至少两个子阵域的互相关矩阵在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出。
在得到整阵域的协方差矩阵及其导引向量后，根据整阵域的协方差矩阵及其导引向量，可以计算整阵域在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出Y。在得到各子阵域的协方差矩阵及其导引向量后，根据各子阵域的协方差矩阵及其导引向量，可以计算各子阵域在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出Y1和Y2。在得到至少两个子阵域的互相关矩阵后，根据至少两个子阵域的互相关矩阵R12和各子阵域的导引向量a1和a2，可以计算至少两个子阵域的互相关矩阵在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出Y12。
具体地：
Y(θ,f)＝aH·R·a， (8)
Y1(θ,f)＝a1H·R1·a1， (9)
Y2(θ,f)＝a2H·R2·a2， (10)
Y12(θ,f)＝a1H·R12·a2， (11)。
需要说明的是，本申请实施例的协方差矩阵是由阵元的频域数据的矩阵进行共轭相乘得到的，因此为了降低噪声扰动的影响，这里可以先进行一定的数据累积之后再进行计算。对于子阵域的导引向量的计算，可以保持阵元位置坐标不变，无需以首个阵元为参考，进行重新换算，大大提高计算速度。
步骤S140，根据至少两个子阵域及它们的互相关矩阵的波束输出，得到一组非线性加权系数。
步骤S150，根据一组非线性加权系数和整阵域的波束输出，确定最终的波束输出，以根据最终的波束输出得到水声通信信号的测向。
仍以两个子阵域为示例，根据两个子阵域在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出Y1和Y2，以及它们的互相关矩阵的波束输出Y12，可以计算得到在所有扫描频点、所有扫描方位上的一组非线性加权系数af，该组非线性加权系数的作用主要是用于衡量信号及噪声的功率，因此基于该组非线性加权系数af，可以对上述得到的整阵域的波束输出Y进行修正处理，从而得到优化后的波束输出，作为最终的波束输出Yeck，并以此确定水声通信信号的方向。
具体地，可以采用如下方式确定最终的波束输出Yeck：
Yeck＝af·Y， (12)
本申请实施例的水声通信信号的测向方法在传统的波束形成的基础上，利用非均匀线性排列的多个阵元进行水声通信信号的测向处理，通过多个阵元的频域数据构造了整阵域和至少两个子阵域的协方差矩阵以及至少两个子阵域的互相关矩阵，通过对整阵域和至少两个子阵域的导引向量的加权处理，得到了通信信号在所有扫描频点和扫描方位上的空间分布，之后利用至少两个子阵域及它们的互相关矩阵的波束输出得到了一组非线性加权系数，从而利用该组非线性加权系数对传统的波束输出进行加权处理，最后得到最优的波束输出。该测向方法相比于传统的测向方法有着更高的空间分辨能力和稳健性，因此具有较高的实际应用价值。
在本申请的一个实施例中，根据至少两个子阵域及它们的互相关矩阵的波束输出，得到一组非线性加权系数包括：根据至少两个子阵域的互相关矩阵的波束输出，确定水声通信信号的信号功率；根据各子阵域的波束输出以及水声通信信号的信号功率，确定水声通信信号的噪声功率；根据水声通信信号的信号功率和噪声功率，得到一组非线性加权系数。
本申请实施例在计算非线性加权系数时，通过对各个扫描频点和各个扫描方位进行搜索，计算每个频段和方位所对应的阵列输出，结合各子阵域的协方差矩阵以及至少两个子阵域的互相关矩阵，最后得到包含信号功率Ps和噪声功率Pn的非线性加权向量af，具体地：
af＝(Ps/Pn)·(1/Pn)， (13)
其中，Ps＝|Y12|，Pn＝|(Y1+Y2)/2-Ps|
在本申请的一个实施例中，该方法还包括：在确定整阵域、至少两个子阵域及它们的互相关矩阵的波束输出之前，对整阵域的协方差矩阵、至少两个子阵域的协方差矩阵及它们的互相关矩阵设定缓存或者乘上遗忘因子。
为了提高算法的稳定性，本申请实施例还可以对整阵域的协方差矩阵、至少两个子阵域的协方差矩阵及它们的互相关矩阵设定缓存或者乘上遗忘因子，进而可以得到平滑噪声并提高通信信号的相干成分。
遗忘因子通常是误差测度函数中的加权因子，引入它的目的是为了赋予原来数据与新数据以不同的权值，以使该算法具有对输入过程特性变化的快速反应能力，在本申请实施例中主要用于平滑噪声并提高通信信号的相干成分，进而提高算法的稳定性。
在本申请的一个实施例中，非均匀线性排列的多个阵元之间的阵元间隔满足
条件；其中，d为相邻两个阵元之间的阵元间隔，λ为最高处理频率的波长。
本申请实施例在设置多个阵元之间的阵元间隔时，可以根据最高处理频率的半波长来确定，任意两个阵元之间的阵元间隔通常不超过最高处理频率的半波长，一方面可以保证信号接收效果，另一方面也能保证测向性能。
这里需要说明的是，
条件只是一个相对宽泛的约束条件，并非要求任意相邻的两个阵元之间的阵元间隔均相同，即如前所述，可以是非均匀布放的，例如在最高处理频率为30kHz时，则阵元距离差为0.025m，可以在满足
的前提下，将阵元A与阵元B的阵元间隔设置为0.1m，阵元B与阵元C的阵元间隔设置0.15m，阵元C与阵元D的阵元间隔设置0.225m。
在本申请的一个实施例中，水声通信信号的频域数据为指定处理频段的仿真频域数据，指定处理频段的仿真频域数据通过如下方式得到：接收发射信号源发射的高斯白噪声；通过带通滤波器对高斯白噪声进行滤波处理，得到宽带信号，并根据发射信号源发射的高斯白噪声的方位计算各个阵元的时延；根据宽带信号和各个阵元的时延得到各个阵元的时域数据；对各阵元的时域数据进行傅里叶变换，得到各阵元在指定处理频段的仿真频域数据，其中指定处理频段为10kHz～30kHz。
为了验证上述各实施例的水声通信信号的测向方法的测向性能，本申请实施例根据上述各实施例的处理步骤进行了四元非均匀线阵的测向仿真。在仿真阶段，可以先获取指定处理频段的仿真频域数据，由于本申请实施例的测向方案主要针对水下通信信号进行测向的场景，因此这里的指定处理频段一般是指10kHz～30kHz，当然对于其他类型的信号测向，本领域技术人员可进行适应性调整。
具体地，在获取指定处理频段的仿真频域数据时，可以先接收发射信号源发射的高斯白噪声，这里的发射信号源可以理解为是在指定位置事先设置好的用于发射通信信号的设备，为了充分体现本申请测向方法的测向特点和测向效果，这里发射的通信信号主要为高斯白噪声，当然实际应用时，并不限对高斯白噪声这一种类型的信号进行测向，也可以是其他类型的通信信号。
之后可以通过带通滤波器对高斯白噪声进行滤波处理，进而可以得到宽带信号。由于是测试仿真阶段，因此可以事先知晓发射信号源发射的高斯白噪声的方位，因此可以根据发射信号源发射的高斯白噪声的方位计算各个阵元接收信号的时延。然后将各个阵元接收信号的时延叠加到滤波处理后得到的宽带信号上，进而可以得到各个阵元的时域数据。最后可以根据设定的快速傅里叶变换点数Nfft对各阵元的时域数据进行傅里叶变换，进而得到各阵元在指定处理频段的仿真频域数据。例如若有4个阵元，则此处可得到4×Nfft的二维矩阵频域数据。
上述实施例通过考虑各个阵元接收信号的时延，最大程度上还原了实际应用场景下各个阵元所接收到的通信信号，提高了测向结果的准确性。
如图2所示，提供了本申请实施例的水声通信信号的测向方法与标准CBF方法的空间谱比对图，从图2中可以看出，本申请实施例的水声通信信号的测向方法在空间分辨能力上要明显优于CBF，且旁瓣降低约6dB以上。
如图3所示，提供了本申请实施例的水声通信信号的测向方法与标准MVDR方法的空间谱比对图，从图3中可以看出，相比于MVDR等高分辨算法，本申请实施例的水声通信信号的测向方法虽然空间分辨能力略差，但得益于其较低的旁瓣和低计算复杂度，在实际工程中依然有很大的应用价值。
图4提供了本申请实施例的水声通信信号的测向方法与标准CBF方法的测向性能比对图，图5提供了本申请实施例的水声通信信号的测向方法与标准MVDR方法的测向性能比对图。从图4和图5中可以看出，在高信噪比条件下，本申请实施例的水声通信信号的测向方法的RMSE(均方根误差，Root-Mean-Square Error)与MVDR方法相当，且明显优于CBF方法。
综上，本申请的水声通信信号的测向方法通过利用子阵域信号与噪声的差异特性，构造了非线性加权系数，相比于标准CBF方法有更高的角度估计性能，其计算复杂度也要低于MVDR方法，因此具有较高的实际应用价值。
需要说明的是，本申请在上述实施例中的水声通信信号的测向方法同样可以应用到其他多传感器阵列的测向功能实现中。
与前述水声通信信号的测向方法同属于一个技术构思，本申请实施例还提供了水声通信信号的测向装置。图6示出了本申请一个实施例的水声通信信号的测向装置的框图，参见图6，水声通信信号的测向装置600包括：频域数据获取单元610、矩阵和导引向量确定单元620、波束输出确定单元630、非线性加权系数确定单元640以及测向单元650。其中，
频域数据获取单元610，用于获取非均匀线性排列的多个阵元接收到的水声通信信号的频域数据；
矩阵和导引向量确定单元620，用于根据各个阵元的频域数据，确定整阵域的协方差矩阵和整阵域的导引向量，以及对至少两个子阵域确定各子阵域的协方差矩阵和各子阵域的导引向量，并确定至少两个子阵域的互相关矩阵；
波束输出确定单元630，用于根据整阵域的协方差矩阵和整阵域的导引向量，确定整阵域在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出；根据各子阵域的协方差矩阵和各子阵域的导引向量，确定各子阵域在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出，以及根据至少两个子阵域的互相关矩阵和各子阵域的导引向量，确定至少两个子阵域的互相关矩阵在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出；
非线性加权系数确定单元640，用于根据至少两个子阵域及它们的互相关矩阵的波束输出，得到一组非线性加权系数；
测向单元650，用于根据一组非线性加权系数和整阵域的波束输出，确定最终的波束输出，以根据最终的波束输出得到水声通信信号的测向。
在本申请的一个实施例中，非线性加权系数确定单元640具体用于：根据至少两个子阵域的互相关矩阵的波束输出，确定水声通信信号的信号功率；根据各子阵域的波束输出以及水声通信信号的信号功率，确定水声通信信号的噪声功率；根据水声通信信号的信号功率和噪声功率，得到一组非线性加权系数。
在本申请的一个实施例中，该装置还包括：预处理单元，用于在确定整阵域、至少两个子阵域及它们的互相关矩阵的波束输出之前，对整阵域的协方差矩阵、至少两个子阵域的协方差矩阵及它们的互相关矩阵设定缓存或者乘上遗忘因子。
在本申请的一个实施例中，非均匀线性排列的多个阵元之间的阵元间隔满足
条件；其中，d为相邻两个阵元之间的阵元间隔，λ为最高处理频率的波长。
在本申请的一个实施例中，水声通信信号的频域数据为指定处理频段的仿真频域数据，指定处理频段的仿真频域数据通过如下方式得到：
接收发射信号源发射的高斯白噪声；通过带通滤波器对高斯白噪声进行滤波处理，得到宽带信号，并根据发射信号源发射的高斯白噪声的方位计算各个阵元的时延；根据宽带信号和各个阵元的时延得到各个阵元的时域数据；对各阵元的时域数据进行傅里叶变换，得到各阵元在指定处理频段的仿真频域数据，其中指定处理频段为10kHz～30kHz。
需要说明的是：
图7示意了电子设备的结构示意图。请参考图7，在硬件层面，该电子设备包括存储器和处理器，可选地还包括接口模块、通信模块等。存储器可能包含内存，例如高速随机存取存储器(Random-Access Memory，RAM)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器等。当然，该电子设备还可能包括其他业务所需要的硬件。
处理器、接口模块、通信模块和存储器可以通过内部总线相互连接，该内部总线可以是ISA(Industry Standard Architecture，工业标准体系结构)总线、PCI(PeripheralComponent Interconnect，外设部件互连标准)总线或EISA(Extended Industry StandardArchitecture，扩展工业标准结构)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图7中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
存储器，用于存放计算机可执行指令。存储器通过内部总线向处理器提供计算机可执行指令。
处理器，执行存储器所存放的计算机可执行指令，并具体用于实现以下操作：
获取非均匀线性排列的多个阵元接收到的水声通信信号的频域数据；
根据各个阵元的频域数据，确定整阵域的协方差矩阵和整阵域的导引向量，以及对至少两个子阵域确定各子阵域的协方差矩阵和各子阵域的导引向量，并确定至少两个子阵域的互相关矩阵；
根据整阵域的协方差矩阵和整阵域的导引向量，确定整阵域在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出；根据各子阵域的协方差矩阵和各子阵域的导引向量，确定各子阵域在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出，以及根据至少两个子阵域的互相关矩阵和各子阵域的导引向量，确定至少两个子阵域的互相关矩阵在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出；
根据至少两个子阵域及它们的互相关矩阵的波束输出，得到一组非线性加权系数；
根据一组非线性加权系数和整阵域的波束输出，确定最终的波束输出，以根据最终的波束输出得到水声通信信号的测向。
上述如本申请图6所示实施例揭示的水声通信信号的测向装置执行的功能可以应用于处理器中，或者由处理器实现。处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central ProcessingUnit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵元(Field－Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
该电子设备还可执行图1中水声通信信号的测向方法执行的步骤，并实现水声通信信号的测向方法在图1所示实施例的功能，本申请实施例在此不再赘述。
本申请实施例还提出了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储一个或多个程序，该一个或多个程序当被处理器执行时，实现前述的水声通信信号的测向方法，并具体用于执行：
获取非均匀线性排列的多个阵元接收到的水声通信信号的频域数据；
根据各个阵元的频域数据，确定整阵域的协方差矩阵和整阵域的导引向量，以及对至少两个子阵域确定各子阵域的协方差矩阵和各子阵域的导引向量，并确定至少两个子阵域的互相关矩阵；
根据整阵域的协方差矩阵和整阵域的导引向量，确定整阵域在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出；根据各子阵域的协方差矩阵和各子阵域的导引向量，确定各子阵域在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出，以及根据至少两个子阵域的互相关矩阵和各子阵域的导引向量，确定至少两个子阵域的互相关矩阵在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出；
根据至少两个子阵域及它们的互相关矩阵的波束输出，得到一组非线性加权系数；
根据一组非线性加权系数和整阵域的波束输出，确定最终的波束输出，以根据最终的波束输出得到水声通信信号的测向。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其特征在于包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种水声通信信号的测向方法，其特征在于，包括：
获取非均匀线性排列的多个阵元接收到的水声通信信号的频域数据；
根据各个阵元的频域数据，确定整阵域的协方差矩阵和整阵域的导引向量，以及对至少两个子阵域确定各子阵域的协方差矩阵和各子阵域的导引向量，并确定所述至少两个子阵域的互相关矩阵；
根据整阵域的协方差矩阵和整阵域的导引向量，确定整阵域在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出；根据各子阵域的协方差矩阵和各子阵域的导引向量，确定各子阵域在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出，以及根据所述至少两个子阵域的互相关矩阵和各子阵域的导引向量，确定所述至少两个子阵域的互相关矩阵在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出；
根据所述至少两个子阵域及它们的互相关矩阵的波束输出，得到一组非线性加权系数；
根据所述一组非线性加权系数和所述整阵域的波束输出，确定最终的波束输出，以根据所述最终的波束输出得到所述水声通信信号的测向。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述至少两个子阵域及它们的互相关矩阵的波束输出，得到一组非线性加权系数包括：
根据所述至少两个子阵域的互相关矩阵的波束输出，确定所述水声通信信号的信号功率；
根据各子阵域的波束输出以及所述水声通信信号的信号功率，确定所述水声通信信号的噪声功率；
根据所述水声通信信号的信号功率和噪声功率，得到所述一组非线性加权系数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在确定所述整阵域、所述至少两个子阵域及它们的互相关矩阵的波束输出之前，对所述整阵域的协方差矩阵、所述至少两个子阵域的协方差矩阵及它们的互相关矩阵设定缓存或者乘上遗忘因子。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述非均匀线性排列的多个阵元之间的阵元间隔满足
条件；
其中，d为相邻两个阵元之间的阵元间隔，λ为最高处理频率的波长。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述水声通信信号的频域数据为指定处理频段的仿真频域数据，所述指定处理频段的仿真频域数据通过如下方式得到：
接收发射信号源发射的高斯白噪声；
通过带通滤波器对所述高斯白噪声进行滤波处理，得到宽带信号，并根据发射信号源发射的高斯白噪声的方位计算各个阵元的时延；
根据所述宽带信号和各个阵元的时延得到各个阵元的时域数据；
对各阵元的时域数据进行傅里叶变换，得到各阵元在指定处理频段的仿真频域数据，其中所述指定处理频段为10kHz～30kHz。
6.一种水声通信信号的测向装置，其特征在于，包括：
频域数据获取单元，用于获取非均匀线性排列的多个阵元接收到的水声通信信号的频域数据；
矩阵和导引向量确定单元，用于根据各个阵元的频域数据，确定整阵域的协方差矩阵和整阵域的导引向量，以及对至少两个子阵域确定各子阵域的协方差矩阵和各子阵域的导引向量，并确定所述至少两个子阵域的互相关矩阵；
波束输出确定单元，用于根据整阵域的协方差矩阵和整阵域的导引向量，确定整阵域在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出；根据各子阵域的协方差矩阵和各子阵域的导引向量，确定各子阵域在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出，以及根据所述至少两个子阵域的互相关矩阵和各子阵域的导引向量，确定所述至少两个子阵域的互相关矩阵在所有扫描频点、所有扫描方位上的波束输出；
非线性加权系数确定单元，用于根据所述至少两个子阵域及它们的互相关矩阵的波束输出，得到一组非线性加权系数；
测向单元，用于根据所述一组非线性加权系数和所述整阵域的波束输出，确定最终的波束输出，以根据所述最终的波束输出得到所述水声通信信号的测向。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述非线性加权系数确定单元具体用于：
根据所述至少两个子阵域的互相关矩阵的波束输出，确定所述水声通信信号的信号功率；
根据各子阵域的波束输出以及所述水声通信信号的信号功率，确定所述水声通信信号的噪声功率；
根据所述水声通信信号的信号功率和噪声功率，得到所述一组非线性加权系数。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
预处理单元，用于在确定所述整阵域、所述至少两个子阵域及它们的互相关矩阵的波束输出之前，对所述整阵域的协方差矩阵、所述至少两个子阵域的协方差矩阵及它们的互相关矩阵设定缓存或者乘上遗忘因子。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述非均匀线性排列的多个阵元之间的阵元间隔满足
条件；
其中，d为相邻两个阵元之间的阵元间隔，λ为最高处理频率的波长。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器，存储计算机可执行指令的存储器，
所述可执行指令在被所述处理器执行时，实现所述权利要求1至5之任一所述水声通信信号的测向方法。
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- 2021-04-28 CN CN202110468849.1A patent/CN113176533B/zh active Active
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