[发明专利]一种基于频率预估计的双阵元正弦信号来波方向估计方法

摘要

本发明公开了一种基于频率预估计的双阵元正弦信号来波方向估计方法，包括：第一步：获取双阵元正弦信号采样数据序列x₁(n₁)和x₂(n₂)；第二步：计算x₁(n₁)和x₂(n₂)的离散傅里叶变换和互功率谱模值P(k)；第三步：计算两阵元正弦信号在离散频点处共轭相乘的实部ξ_d与虚部η_d，频率相对偏差δ与预估频率第四步：比较|δ|与设定相对偏差阈值δ₀的大小，如果|δ|<δ₀，令两阵元信号在预估频点处傅里叶变换共轭相乘的实部ξ＝ξ_d，虚部η＝η_d，并转到第六步；否则转到第五步；第五步：计算两阵元信号在预估频点处傅里叶变换共轭相乘的实部ξ和虚部η；第六步：估计双阵元正弦信号来波方向该方法提高了来波方向估计精度，具有很强的工程实用性。

主权项

1.一种基于频率预估计的双阵元正弦信号来波方向估计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：第一步：获取待处理的双阵元正弦信号采样数据序列x1(n1),n1＝0,1,…,N‑1和x2(n2),n2＝0,1,…,N‑1，其中x1(n1)为双阵元基元1的正弦信号采样数据序列，x2(n2)为双阵元基元2的正弦信号采样数据序列：从所述双阵元基元接收N个采样点的实时采集数据作为待处理的数据序列x1(n1),n1＝0,1,…,N‑1和x2(n2),n2＝0,1,…,N‑1，或从存储器中提取从检测到信号时刻起始的N个采样点的数据作为待处理的数据序列x1(n1),n1＝0,1,…,N‑1和x2(n2),n2＝0,1,…,N‑1，所述的N为检测到的正弦信号脉宽长度所对应的采样点个数，取值为2的整数次幂；第二步：分别计算所述采样数据序列x1(n1)和x2(n2)的离散傅里叶变换X1(l1)和X2(l2)以及两者的互功率谱模值P(k)，计算过程如下：首先，分别计算x1(n1)和x2(n2)的离散傅里叶变换X1(l1)和X2(l2)，即其中l₁和l₂分别为X₁(l₁)和X₂(l₂)的离散频率索引，j表示虚数单位，即然后，根据下式计算所述离散傅里叶变换X1(l1)和X2(l2)的互功率谱模值：其中k为P(k)的离散频率索引，| |代表取模值运算，代表开根号运算；第三步：计算两阵元正弦信号在离散频点处傅里叶变换共轭相乘的实部ξ_d与虚部η_d、正弦信号频率相对偏差δ与预估频率计算过程如下：首先，根据下式搜索互功率谱模值P(k)最大值所对应的索引k0：其中表示在1≤k≤N/2‑1范围内搜索P(k)的最大值所对应的离散频率索引；然后，计算两阵元信号在离散频点k0处傅里叶变换共轭相乘的实部ξd与虚部ηd，即：ξd＝Re[X1(k0)]Re[X2(k0)]+Im[X1(k0)]Im[X2(k0)]  式(5)ηd＝Re[X1(k0)]Im[X2(k0)]‑Im[X1(k0)]Re[X2(k0)]  式(6)其中Re[]代表取实部运算，Im[]代表取虚部运算；最后，估计正弦信号频率相对偏差δ和预估频率计算过程如下：取P(k)在离散频率索引k0‑1，k0和k0+1处的值，分别记为Al，Am和Ar，即Al＝P(k0‑1),Am＝P(k0),Ar＝P(k0+1)  式(7)利用所述值A_l，A_m和A_r计算正弦信号频率相对偏差δ和预估频率即其中△f为长度为N的离散傅里叶变换的频率分辨率，△f＝fs/N，fs为采样频率；δ0为设定的相对频率偏差阈值，δ0为任一大于0且小于0.5的数；第四步：比较|δ|与设定相对频率偏差阈值δ₀的大小，如果|δ|<δ₀，则令两阵元信号在预估频点处傅里叶变换共轭相乘的实部ξ＝ξ_d，虚部η＝ηd，并转到第六步；否则转到第五步；第五步：计算两阵元信号在预估频点处傅里叶变换共轭相乘的实部ξ和虚部η，过程如下：首先，分别计算所述采样数据序列x₁(n)和x₂(n)在预估频点处的单点傅里叶变换Z₁和Z₂，即：然后，计算两阵元信号在预估频点处傅里叶变换共轭相乘的实部ξ和虚部η，即：ξ＝Re[Z1]Re[Z2]+Im[Z1]Im[Z2]  式(12)η＝Re[Z1]Im[Z2]‑Im[Z1]Re[Z2]  式(13)第六步：估计双阵元正弦信号来波方向过程如下：首先，计算双阵元正弦信号的相位差α，即：其中atan()代表反正切运算，π代表圆周率；然后，估计双阵元正弦信号的时延差τ，并依据所述双阵元正弦信号的最大时延差对τ进行修正，得到修正时延差τR，即：其中，d为两阵元的阵间距，c为正弦信号在介质中的传播速度；最后，估计双阵元正弦信号来波方向即：其中，a cos()为反余弦运算。