[发明专利]改进维纳滤波器及基于该滤波器进行目标方位的估计方法

说明书

本发明涉及一种改进维纳滤波器及基于该滤波器进行目标方位的估计方法，结合波束形成器在空域抑制噪声的能力和改进维纳滤波器在时域抑制噪声的能力，提出将接收数据先通过改进维纳滤波器，在时域上获得一定的增益，再通过波束形成器获得目标方位估计，这种方法称为beamforming after tradeoff filter(BATF)。通过控制改进维纳滤波器的参数，有效地控制信号失真和噪声抑制，使得改进维纳滤波器的输出信号在波束形成器对信号失真容忍度的范围内，从而获得最佳的输出，并且使得目标方位估计的均方根误差减小，降低了目标方位估计的信噪比门限，克服了现有方法在低信噪比下目标方位估计性能下降的问题。

技术领域

本发明水声阵列信号处理领域和目标方位估计领域，涉及一种改进维纳滤波器及基于该滤波器进行目标方位的估计方法。

背景技术

目标方位估计是水声信号处理中的主要任务，由于水声环境复杂和目标信号信噪比低的特点，在水声信号处理中，一般需要通过阵列信号处理的方式来抑制噪声，提高处理增益。通常，利用子空间分解方法和波束形成方法来估计目标方位。基于子空间分解方法的算法最大的缺点是在低信噪比下，信号源数估计不正确，其性能可能会严重下降。波束形成方法包括延时求和波束形成方法(Delay-and-sum Beamforming，DAS)和最小方差无畸变响应波束形成方法(minimum variance distortionless response,MVDR)等。当快拍数较少或者阵列存在位置误差和通道相幅误差时，MVDR波束形成方法的稳健性较差。相比之下，DAS波束形成方法具有较好的稳健性，得到了较为广泛的应用，但是该方法的噪声抑制能力受到了阵列孔径的限制。为了提高DAS波束形成方法的噪声抑制能力，进而提高目标方位估计的性能，国内外的学者研究了基于DAS波束形成方法的各种改进方法。有学者将协方差矩阵对角线置0，改善了DAS的性能(参见：Beamforming in Acoustic Testing.Berlin:2002:83-86.)。有学者提出了复杂噪声场条件下的对角减载技术，大大提高了噪声抑制的效果(参见：复杂噪声场下对角减载技术的原理及应用.物理学报,2017；66(1):152-161)。上述这些基于DAS波束形成方法的各种改进方法均是对协方差矩阵进行处理，没有充分挖掘噪声抑制能力。在低信噪比下，基于上述这些方法的方位估计性能下降。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种改进维纳滤波器及基于该滤波器进行目标方位的估计方法。

技术方案

一种对水听器阵元接收数据滤波的改进维纳滤波器，其特征在于：改进维纳滤波器传递函数矩阵为：

其中：I表示单位矩阵，R_n表示噪声协方差矩阵，R_y表示接收数据协方差矩阵；

所述滤波器参数μ＝μ₁SNR_i，其中：μ₁是实值朗格朗日乘子，μ₁≥0；SNR_i表示输入信噪比。

所述μ值的选取准则如下：

(1)μ＝0时，得认为没有进行滤波；

(2)0＜μ＜1，信号开始出现失真，而噪声开始受到抑制；

(3)μ＝1时，改进维纳滤波器等效于维纳滤波器；

(4)μ＞1时，信号失真变大，同时抑制噪声的程度变大。

一种利用所述改进维纳滤波器进行目标方位的估计方法，其特征在于步骤如下：