專利名稱：：一種基于濾波器組的時(shí)延估計(jì)方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于陣列信號(hào)處理領(lǐng)域，特別涉及一種基于濾波器組的時(shí)延估計(jì)方法及其系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：陣列信號(hào)處理領(lǐng)域中面臨的一個(gè)基本問(wèn)題就是時(shí)延估計(jì)，即確定兩路傳感器接收信號(hào)的時(shí)延差，該時(shí)延差與傳感器間距，目標(biāo)的方位、距離，傳播環(huán)境密切相關(guān)。時(shí)延估計(jì)在聲納、雷達(dá)、通信、地震勘探和生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。目前典型的時(shí)延估計(jì)方法有廣義互相關(guān)法；相位譜法；最小均方自適應(yīng)濾波法等。其中，廣義互相關(guān)法(可參考文獻(xiàn)"KnappCH等，Thegeneralizedcorrelationmethodforestimationoftimedelay,IEEETransactiononAcoustics,SpeechandSignalProcessing,24(4):320~327,1976")，即利用兩路有時(shí)延差的信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)在時(shí)延差位置處最大的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行時(shí)延估計(jì)。該方法的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但受噪聲影響較大，低信噪比下測(cè)量精度較差且不穩(wěn)定。相位譜法(可參考文獻(xiàn)"Piesol等，TimeDelayEstimationUsingPhaseData,IEEETransactiononAcoustics,SpeechandSignalProcessing,,29:,471~477,1981")，通過(guò)計(jì)算兩路時(shí)延信號(hào)的互功率譜的相位譜的斜率來(lái)進(jìn)行時(shí)延估計(jì)。該方法基于快速傅里葉變換(FFT)運(yùn)算，處理較簡(jiǎn)單，但當(dāng)功率譜有較大起伏而又沒(méi)有考慮頻譜加權(quán)時(shí)，性能將顯著下降。最小均方自適應(yīng)濾波法(可參考文獻(xiàn)"吳慧娟等，低信噪比下的LMS自適應(yīng)無(wú)偏時(shí)延估計(jì)，電子學(xué)報(bào)，37(3):500505，2009")，通過(guò)設(shè)定迭代初值、參數(shù)和自適應(yīng)學(xué)習(xí)來(lái)估計(jì)時(shí)延，不過(guò)該方法需要假設(shè)通道間的背景噪聲為不相關(guān)的高斯白噪聲，與實(shí)際環(huán)境未必一致。除此以外，近年來(lái)，由于現(xiàn)代信號(hào)處理理論的迅速發(fā)展，高階累積量、小波分析、循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)分析與處理等理論和方法在時(shí)延估計(jì)中也得到了廣泛的研究?？傮w而言，由于水聲工作環(huán)境的惡劣性(噪聲模型易失配，海洋傳播信道的復(fù)雜，陣形易失配等)，以上算法在現(xiàn)階段的實(shí)際應(yīng)中，效果不是很理想，實(shí)際應(yīng)用中迫切需要一種穩(wěn)健的時(shí)延估計(jì)方法。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于，為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決現(xiàn)有技術(shù)中時(shí)延估計(jì)穩(wěn)健性差、難以實(shí)用的問(wèn)題，從而提供一種基于濾波器組的時(shí)延估計(jì)的方法及其系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種基于濾波器組的時(shí)延估計(jì)方法，該方法利用濾波器組分別估計(jì)兩路目標(biāo)信號(hào)的互譜和相應(yīng)的加權(quán)譜，以實(shí)現(xiàn)時(shí)延估計(jì)，所述的基于濾波器組的時(shí)延估計(jì)方法包括以下步驟1)采集兩路目標(biāo)信號(hào)的采樣序列X,(W)，X2();所述的兩路目標(biāo)信號(hào)的到達(dá)接受傳感器時(shí)存在時(shí)延差，即X,(")，、(")之間存在時(shí)延r，采樣序列X,(")，、(")的采樣頻率為《；2)預(yù)先生成丄><7V維傅里葉矩陣F=[f。，f1,…,f^1]，傅里葉矩陣的列向量f=|[le叫…e叫(")]r，w=2""/iV，其中，"=0,1,.",7^-1;FW為頻v丄率分辨率；3)分別計(jì)算兩路目標(biāo)信號(hào)的釆樣序列x,(n)，x2(w)的各子段相應(yīng)的協(xié)方差矩陣i，i^和相應(yīng)的各次逆矩陣R"1，R〗，以及兩路目標(biāo)信號(hào)的采樣序列x,(n)和、(")各子段相應(yīng)的互協(xié)方差矩陣1112;所述協(xié)方差矩陣in，/22和互協(xié)方差矩陣及12的計(jì)算公式為Ru,、(")x「("》，R22=￡{x2(")}，R12=￡{Xl(")xf(")};其中上標(biāo)/Z表示共軛轉(zhuǎn)置操作，￡{*}表示求數(shù)學(xué)期望；4)設(shè)定參數(shù)"，由設(shè)定參數(shù)a、協(xié)方差矩陣估計(jì)及其逆矩陣，得到相應(yīng)的iV個(gè)長(zhǎng)度為丄相應(yīng)數(shù)據(jù)子段的濾波器組g〖,R;7f,/(f,R「rf;)，g^,R^;/(f,"R;2"f,)，其中!=0,1,…,iV-1;f'為頻率點(diǎn)；所述參數(shù)《的取值范圍為0Sa《1;所述濾波器g。和g〖，,分別表示第;個(gè)子段數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的濾波器系數(shù)；5)計(jì)算序列x"")，、^的互譜<(《)=&，^''和加權(quán)函數(shù)譜#");6)計(jì)算采用廣義互譜相位法的時(shí)延估計(jì)。上述技術(shù)方案中，所述步驟l)中，所述的采樣序列x'(")，、(")可以是兩個(gè)傳感器的時(shí)間采樣序列，也可以是由多個(gè)傳感器采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行波束形成所得到的波束序列。上述技術(shù)方案中，所述步驟3)具體為31)首先，將采樣序列Xi(")，、(")劃分為尸個(gè)相互重疊的長(zhǎng)度為丄的子段，重疊的長(zhǎng)度一般在數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的一半以上，即重疊數(shù)據(jù)長(zhǎng)度^m;32)然后，對(duì)每一個(gè)子段數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理后得到新的子段數(shù)據(jù)；所述的窗函數(shù)為漢寧窗或矩形窗；本方案中的數(shù)據(jù)分段和加窗是信號(hào)處理中常用的預(yù)處理手段，目的是保證數(shù)據(jù)序列的平穩(wěn)性，提高估計(jì)的穩(wěn)健度。33)分別計(jì)算各子段的協(xié)方差矩陣和互協(xié)方差矩陣，然后平均得到協(xié)方差矩陣《'，^2和互協(xié)方差矩陣《2。對(duì)應(yīng)于該技術(shù)方案中，所述步驟6)具體為61)計(jì)算平均互譜的相位A(乂)=arctan，^，其中Re[i^(/)]和Im[化(/)]分別表示復(fù)數(shù)4(/)的實(shí)部和虛部；62)由相位譜和加權(quán)譜計(jì)算時(shí)延估計(jì)"^-2^o;x/^c/;)/U示(y;x/;2，其中、,，、ax分別對(duì)應(yīng)處理帶寬的起止頻率。上述技術(shù)方案中的另一種情況是，所述步驟3)具體為31)首先，將采樣序列Xi(")，、(")劃分為P個(gè)相互重疊的長(zhǎng)度為丄的子段，重疊的長(zhǎng)度一般在數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的一半以上，即重疊數(shù)據(jù)長(zhǎng)度》Z/2;32)然后，對(duì)每一個(gè)子段數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理后得到新的子段數(shù)據(jù)；所述的窗函數(shù)為漢寧窗或矩形窗；33)分別計(jì)算各子段的協(xié)方差矩陣和互協(xié)方差矩陣，得到協(xié)方差矩陣《'，&2和互協(xié)方差矩陣《2。對(duì)應(yīng)于該技術(shù)方案中，所述步驟6)具體為61')計(jì)算互譜的相位Aa)-arctan^4^！，其中Re[^(/)]和!m[^(/)]分別表示復(fù)數(shù)i^(/)的實(shí)部和虛部；62')由相位譜和加權(quán)譜計(jì)算時(shí)延估計(jì)f￡^c/;)y^a;)/2#(/)_/:2，其中、m，&max分別對(duì)應(yīng)處理帶寬的起止頻率；63')對(duì)各子段的時(shí)延估計(jì)平均后得到平均的時(shí)延估計(jì)。上述技術(shù)方案中，所述步驟5)中，所述加權(quán)函數(shù)譜#(/)為平均加權(quán)#。(_/;)=1、或互譜幅度平方加權(quán)#MSa)=|A2(f,)|2、或最優(yōu)加權(quán)/XiJt2(I[f,Rl:f,][f,WlCff,]-f,R:pxRxxR:pxf,ZJ￡2X2Z2為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的另一目的，本發(fā)明還提供了一種基于濾波器組的時(shí)延估計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用濾波器組分別估計(jì)兩路目標(biāo)信號(hào)的互譜和相應(yīng)的加權(quán)譜，以實(shí)現(xiàn)時(shí)延估計(jì)，所述的基于濾波器組的時(shí)延估計(jì)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集及劃分模塊，用于數(shù)據(jù)采集并劃分P個(gè)相互重疊的長(zhǎng)度為Z的數(shù)據(jù)子段；傅里葉矩陣產(chǎn)生模塊，用于產(chǎn)生傅里葉矩陣，預(yù)先生成Zx^維傅里葉矩陣F=[f。，f"'''，fw—J，傅里葉矩陣的列向量f=j[l,"…e'"""—，w=2;r"/iV，其中，"=0，l,-、iV—1;^/^為頻率分辨率；濾波器組產(chǎn)生模塊，用于依據(jù)計(jì)算得到的協(xié)方差和互協(xié)方差產(chǎn)生處理各子段數(shù)據(jù)的濾波器組；互譜計(jì)算模塊，用于計(jì)算序列Xi(")，、(")的互譜^P(f'X^g"和加權(quán)函數(shù)譜^";以及時(shí)延估計(jì)模塊，用于根據(jù)獲得的互譜和加權(quán)函數(shù)計(jì)算采用廣義互譜相位法的估計(jì)時(shí)延"一J步c/:x/^a)/2#(乂)乂2。上述技術(shù)方案中，所述數(shù)據(jù)采集及劃分模塊包括數(shù)據(jù)采集單元，用于采集兩路目標(biāo)信號(hào)的采樣序列Xi(")，、(")；所述的兩路目標(biāo)信號(hào)的到達(dá)存在時(shí)延差，即x"")，x^")之間存在時(shí)延r，采樣序列x'(")，X2(")的采樣頻率為《；200數(shù)據(jù)劃分單元，用于將采樣序列x"")，x^")劃分為尸個(gè)相互重疊的長(zhǎng)度為丄的子段，重疊的長(zhǎng)度一般在數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的一半以上，即重疊數(shù)據(jù)長(zhǎng)度^丄/2;以及加窗處理單元，用于產(chǎn)生窗函數(shù)，對(duì)每一個(gè)子段數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理后得到新的子段數(shù)據(jù)；所述的窗函數(shù)為漢寧窗或矩形窗。上述技術(shù)方案中，所述濾波器組產(chǎn)生模塊包括協(xié)方差和互協(xié)方差計(jì)算單元，用于分別計(jì)算兩路目標(biāo)信號(hào)的采樣序列x"")，X2(")各自的協(xié)方差矩陣《t，^^和相應(yīng)的各次逆矩陣R「,1，R^，以及兩路目標(biāo)信號(hào)的采樣序列X,(n)和、(W)的互協(xié)方差矩陣R,2;所述協(xié)方差矩陣iu，/22和互協(xié)方差矩陣及12的計(jì)算公式為-R,^f(x,(")x「(""，R22=￡{x2(")Xf(")}，R12=￡{Xl(")Xf(")};其中上標(biāo)Z/表示共軛轉(zhuǎn)置操作，￡{*}表示求數(shù)學(xué)期望；以及濾波器產(chǎn)生單元，用于根據(jù)設(shè)定參數(shù)a、協(xié)方差矩陣估計(jì)及其逆矩陣，得到相應(yīng)的W個(gè)長(zhǎng)度為丄相應(yīng)數(shù)據(jù)子段的濾波器組g。=R^f,./(ifR「，g;,二R-2，,/(f,WR;2"f,)，其中/=0，1,-,〃-1;f'為頻率點(diǎn)；所述參數(shù)a的取值范圍為《1;所述濾波器gl",和分別表示第個(gè)子段數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的濾波器系數(shù)。上述技術(shù)方案中，所述互譜計(jì)算模塊包括子段互譜計(jì)算單元，用于計(jì)算各數(shù)據(jù)子段的互譜^(f')zg^^g"和互譜幅度平方函數(shù)；以及平均互譜計(jì)算單元，用于平均各數(shù)據(jù)子段的互譜及互譜幅度平方函數(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下技術(shù)效果(1)原理明確，易于工程實(shí)現(xiàn)；(2)不僅適合窄帶和功率譜平坦的情況，也適合功率譜有較大起伏的情況，因此在信道起伏導(dǎo)致功率譜不平坦的情況下，仍可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的時(shí)延估計(jì)。以下，結(jié)合附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的常規(guī)線列陣示意圖；圖2是時(shí)延估計(jì)信號(hào)模型示意圖；圖3是本發(fā)明的總體流程圖；圖4是本發(fā)明的具體流程圖5是本發(fā)明對(duì)10kHz采樣的時(shí)延0.5ms的信號(hào)進(jìn)行100次蒙特卡洛仿真后得到的均方根誤差示意圖6是本發(fā)明實(shí)施例的聲納數(shù)據(jù)處理和顯控系統(tǒng)；具體實(shí)施例方式本發(fā)明的基本構(gòu)思為利用濾波器組的方法，分別估計(jì)兩路信號(hào)的互譜和相應(yīng)的加權(quán)譜，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的時(shí)延估計(jì)。本發(fā)明的總體流程如圖3所示。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述實(shí)施例1如圖4所示，本實(shí)施例的2個(gè)水聽(tīng)器的基于濾波器組的時(shí)延估計(jì)方法及其系統(tǒng)的具體步驟如下步驟401:用2個(gè)水聽(tīng)器接收時(shí)空二維信號(hào)，從而獲得2個(gè)數(shù)據(jù)序列xi(")和x2(")。本步驟中的2個(gè)數(shù)據(jù)序列也可以是常規(guī)線列陣等聲納波束形成后得到的2個(gè)波束數(shù)據(jù)序列。假設(shè)可處理的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度K-1000。本實(shí)施例中為兩個(gè)傳感器在&=30^^下采樣的數(shù)據(jù)序列。步驟402:預(yù)先產(chǎn)生傅里葉矩陣。本步驟中傅里葉矩陣F-[f。,f,，…,f^,]的維數(shù)為Zx7V維，其列向量f=+「l…，cj=27t"/W，其中，"=0，1，...，7V—1。本實(shí)施例中7V=100，即頻率分辨率為lOOHz。步驟403:對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，并加窗處理。本步驟中的數(shù)據(jù)分段和加窗是信號(hào)處理中常用的預(yù)處理手段，目的是保證數(shù)據(jù)序列的平穩(wěn)性，提高估計(jì)的穩(wěn)健度。將序列x'^)，、(")劃分為^個(gè)相互重疊的長(zhǎng)度為丄的子段，重疊的長(zhǎng)度一般在數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的一半以上，即重疊數(shù)據(jù)長(zhǎng)度^Z/2。對(duì)每一個(gè)子段數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理后得到新的子段數(shù)據(jù)；常用的窗函數(shù)為漢寧窗，也可以為其他形式的窗函數(shù)如矩形窗等；本實(shí)施例中丄=100，尸=19，重疊一半數(shù)據(jù)，使用漢寧窗。步驟404:計(jì)算平均協(xié)方差矩陣及其逆矩陣。本步驟中序列Xl(")協(xié)方差矩陣R"和序列X2(")協(xié)方差矩陣R22得定義分別為Rll=￡{x1(")x}，^=,2(")}、對(duì)協(xié)方差矩陣的估計(jì)有，種方式，本實(shí)施例中協(xié)方差矩陣的估計(jì)為R"-V(")O)Z丄，R22=x2,p(")X^(")/Z，其中x"(")和x^(")分別表示2個(gè)序列的第P個(gè)子段數(shù)據(jù)。對(duì)求得的尸個(gè)協(xié)方差矩陣進(jìn)行平均就得到平均協(xié)方差矩陣，然后可得到相應(yīng)的逆矩陣K"1，R;;。步驟405:計(jì)算平均互協(xié)方差矩陣。本步驟中序列Xl(")和序列X2(")的互協(xié)方差矩陣Rl2的定義為Rl2=￡{Xl(")xf(")}。對(duì)互協(xié)方差矩陣的估計(jì)有多種方式，本實(shí)施例中互協(xié)方差矩陣的估計(jì)為Ku-X"")《(")"，對(duì)求得的戶個(gè)互協(xié)方差矩陣進(jìn)行平均就得到平均協(xié)方差矩陣。步驟406:設(shè)計(jì)濾波器組。本步驟中首先確定參數(shù)"的值。本實(shí)施例中為了便于比較分別設(shè)定了a的值為0，0.5和l。實(shí)際中只需設(shè)定一個(gè)值即可。由參數(shù)"、協(xié)方差矩陣估計(jì)及其逆矩陣，設(shè)計(jì)相應(yīng)的^個(gè)長(zhǎng)度為丄的濾波器組為g。=R""f,R「"')，g,,=R-2〗f,/(f,"R;2，)，其中z=o，1,...,iV-1。步驟407:計(jì)算互譜。本步驟中互譜的計(jì)算公式為P:(f')=gf'A^2-'。步驟408:計(jì)算互譜的相位譜。本步驟中相位譜=arctan":f！。其中Re[尸眾(乂)]和Im[《(乂)]分別表示^(/)的實(shí)部和虛部。步驟409:計(jì)算加權(quán)譜^x/;)。本步驟中加權(quán)譜^c/;)可以為平均加權(quán)^。ahi，互譜幅度平方加權(quán)《sa)=l《2(f,)l2，最優(yōu)加權(quán)^^")=-/xlxlxlx2X2X27[f,R，'〗[f,C〗-|f,r;二RRC(本實(shí)施例中分別采用了平均加權(quán)和最優(yōu)加權(quán)進(jìn)行了比較。步驟410:時(shí)延估計(jì)。本步驟中有前述所得的相位譜和加權(quán)譜得到相應(yīng)的時(shí)延估計(jì)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>其中、'n，u分別對(duì)應(yīng)處理帶寬的起止頻率-2""加"加-圖5是本發(fā)明對(duì)延時(shí)7=0.5柳，處理帶寬為100Hz1000Hz的情況下的時(shí)延估計(jì)均方根誤差在各種信噪比下的示意圖?？梢钥闯鲈诠β首V不平坦的情況下，最優(yōu)加權(quán)相較于平均加權(quán)具有更穩(wěn)健的性能。下面對(duì)本實(shí)施例的硬件環(huán)境的一個(gè)示例進(jìn)行描述。本實(shí)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(hào)的線列陣聲納102的線陣是由32個(gè)市場(chǎng)所售常規(guī)的接收信號(hào)中心頻率為5000KHz的無(wú)指向性水聽(tīng)器101組成，兩兩水聽(tīng)器間的間隔是半個(gè)波長(zhǎng)，從而線陣聲振段的總長(zhǎng)度是4.65米。線列陣102安裝在潛艇或無(wú)人潛航器上。圖6是本發(fā)明實(shí)施例的聲納數(shù)據(jù)處理和顯控系統(tǒng)。水聽(tīng)器102和前置電路601從每個(gè)水聽(tīng)器接收到模擬信號(hào)。前置電路601包括前放、濾波和其它常規(guī)的電路。每個(gè)通道的模擬信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)換器602得到數(shù)字信號(hào)。從A/D轉(zhuǎn)換器602出來(lái)的是多通道的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，每個(gè)通道的數(shù)據(jù)流對(duì)應(yīng)于一個(gè)水聽(tīng)器接收到的模擬信號(hào)。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(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件605，比如磁盤(pán)存儲(chǔ)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(chǔ)到動(dòng)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(kāi)始處理。圖4是算法具體流程示意圖，它包括數(shù)據(jù)采集401，傅里葉矩陣生成402，數(shù)據(jù)分段及加窗403，協(xié)方差矩陣及其逆矩陣計(jì)算404，互協(xié)方差矩陣計(jì)算405，濾波器組設(shè)計(jì)406，互譜估計(jì)407，互譜相位譜估計(jì)408，加權(quán)譜估計(jì)409和時(shí)延估計(jì)410。這些程序儲(chǔ)存在動(dòng)態(tài)存取區(qū)604中。因?yàn)楸景l(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(lái)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(lái)代替微型處理器603。最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)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、一種基于濾波器組的時(shí)延估計(jì)方法，該方法利用濾波器組分別估計(jì)兩路目標(biāo)信號(hào)的互譜和相應(yīng)的加權(quán)譜，以實(shí)現(xiàn)時(shí)延估計(jì)，所述的基于濾波器組的時(shí)延估計(jì)方法包括以下步驟1)采集兩路目標(biāo)信號(hào)的采樣序列x1(n)，x2(n)；所述的兩路目標(biāo)信號(hào)的到達(dá)接受傳感器時(shí)存在時(shí)延差，即x1(n)，x2(n)之間存在時(shí)延τ，采樣序列x1(n)，x2(n)的采樣頻率為Fs；2)預(yù)先生成L×N維傅里葉矩陣F＝[f0，f1，…，fN-1]，傅里葉矩陣的列向量<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>f</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><msqrt><mi>L</mi></msqrt></mfrac><msup><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd><mtd><msup><mi>e</mi><mrow><mi>i</mi><msub><mi>&omega;</mi><mi>n</mi></msub></mrow></msup></mtd><mtd><mo>&CenterDot;</mo><mo>&CenterDot;</mo><mo>&CenterDot;</mo></mtd><mtd><msup><mi>e</mi><mrow><mi>i</mi><msub><mi>&omega;</mi><mi>n</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>L</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mtd></mtr></mtable></mfenced><mi>T</mi></msup><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0001"file="A2009100914530002C1.tif"wi="56"he="9"top="98"left="24"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>ωn＝2πn/N，其中，n＝0，1，…，N-1；Fs/N為頻率分辨率；3)分別計(jì)算兩路目標(biāo)信號(hào)的采樣序列x1(n)，x2(n)的各子段相應(yīng)的協(xié)方差矩陣R11，R22和相應(yīng)的各次逆矩陣R11-1，R22-1，以及兩路目標(biāo)信號(hào)的采樣序列x1(n)和x2(n)各子段相應(yīng)的互協(xié)方差矩陣R12；所述協(xié)方差矩陣R11，R22和互協(xié)方差矩陣R12的計(jì)算公式為<mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>R</mi><mn>11</mn></msub><mo>=</mo><mi>E</mi><mo>{</mo><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><msubsup><mi>x</mi><mn>1</mn><mi>H</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><mo>}</mo><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0002"file="A2009100914530002C2.tif"wi="37"he="4"top="152"left="46"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths><mathsid="math0003"num="0003"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>R</mi><mn>22</mn></msub><mo>=</mo><mi>E</mi><mo>{</mo><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><msubsup><mi>x</mi><mn>2</mn><mi>H</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><mo>}</mo><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0003"file="A2009100914530002C3.tif"wi="38"he="4"top="152"left="87"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths><mathsid="math0004"num="0004"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>R</mi><mn>12</mn></msub><mo>=</mo><mi>E</mi><mo>{</mo><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><msubsup><mi>x</mi><mn>2</mn><mi>H</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><mo>}</mo><mo>;</mo></mrow>]]></math>id="icf0004"file="A2009100914530002C4.tif"wi="37"he="4"top="152"left="129"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>其中上標(biāo)H表示共軛轉(zhuǎn)置操作，E{·}表示求數(shù)學(xué)期望；4)設(shè)定參數(shù)α，由設(shè)定參數(shù)α、協(xié)方差矩陣估計(jì)及其逆矩陣，得到相應(yīng)的N個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)相應(yīng)數(shù)據(jù)子段的濾波器組<mathsid="math0005"num="0005"><math><![CDATA[<mrow><msubsup><mi>g</mi><mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow><mi>&alpha;</mi></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>R</mi><mn>11</mn><mrow><mo>-</mo><mi>&alpha;</mi></mrow></msubsup><msub><mi>f</mi><mi>i</mi></msub><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>f</mi><mi>i</mi><mi>H</mi></msubsup><msubsup><mi>R</mi><mn>11</mn><mrow><mo>-</mo><mi>&alpha;</mi></mrow></msubsup><msub><mi>f</mi><mi>i</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0005"file="A2009100914530002C5.tif"wi="39"he="5"top="180"left="92"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths><mathsid="math0006"num="0006"><math><![CDATA[<mrow><msubsup><mi>g</mi><mrow><mn>2</mn><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow><mi>&alpha;</mi></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>R</mi><mn>22</mn><mrow><mo>-</mo><mi>&alpha;</mi></mrow></msubsup><msub><mi>f</mi><mi>i</mi></msub><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>f</mi><mi>i</mi><mi>H</mi></msubsup><msubsup><mi>R</mi><mn>22</mn><mrow><mo>-</mo><mi>&alpha;</mi></mrow></msubsup><msub><mi>f</mi><mi>i</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0006"file="A2009100914530002C6.tif"wi="40"he="5"top="180"left="135"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>其中i＝0，1，…，N-1；fi為頻率點(diǎn)；所述參數(shù)α的取值范圍為0≤α≤1；所述濾波器g1，iα和g2，iα分別表示第p個(gè)子段數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的濾波器系數(shù)；5)計(jì)算序列x1(n)，x2(n)的互譜<mathsid="math0007"num="0007"><math><![CDATA[<mrow><msubsup><mi>P</mi><mn>12</mn><mi>p</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>f</mi><mi>i</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mi>g</mi><mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow><mi>H</mi></msubsup><msub><mi>R</mi><mn>12</mn></msub><msub><mi>g</mi><mrow><mn>2</mn><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub></mrow>]]></math>id="icf0007"file="A2009100914530002C7.tif"wi="30"he="5"top="212"left="94"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>和加權(quán)函數(shù)譜id="icf0008"file="A2009100914530002C8.tif"wi="11"he="6"top="212"left="151"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>6)計(jì)算采用廣義互譜相位法的時(shí)延估計(jì)。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于濾波器組的時(shí)延估計(jì)方法，其特征在于，所述步驟l)中，所述的采樣序列x^")，x"")可以是兩個(gè)傳感器的時(shí)間采樣序列，也可以是由多個(gè)傳感器采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行波束形成所得到的波束序列。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于濾波器組的時(shí)延估計(jì)方法，其特征在于，所述步驟3)具體為31)首先，將采樣序列xi(")，、(")劃分為尸個(gè)相互重疊的長(zhǎng)度為丄的子段，重疊的長(zhǎng)度一般在數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的一半以上，即重疊數(shù)據(jù)長(zhǎng)度2^/2;32)然后，對(duì)每一個(gè)子段數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理后得到新的子段數(shù)據(jù)；所述的窗函數(shù)為漢寧窗或矩形窗；33)分別計(jì)算各子段的協(xié)方差矩陣和互協(xié)方差矩陣，然后平均得到協(xié)方差矩陣《'，&2和互協(xié)方差矩陣《2。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于濾波器組的時(shí)延估計(jì)方法，其特征在于，所述步驟6)具體為61)計(jì)算平均互譜的相位=arctan"，(;^，其中Re[i^(/)]和Im[i^(/)]分別表示復(fù)數(shù)&(/)的實(shí)部和虛部；62)由相位譜和加權(quán)譜計(jì)算時(shí)延估計(jì)"一2^c/;x/^(y;)/S^c/;x/:2，其中、,，、ax分別對(duì)應(yīng)處理帶寬的起止頻率。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于濾波器組的時(shí)延估計(jì)方法，其特征在于，所述步驟3)具體為31)首先，將采樣序列Xi(")，x^")劃分為尸個(gè)相互重疊的長(zhǎng)度為Z的子段，重疊的長(zhǎng)度一般在數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的一半以上，即重疊數(shù)據(jù)長(zhǎng)度2^/2;32)然后，對(duì)每一個(gè)子段數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理后得到新的子段數(shù)據(jù)；所述的窗函數(shù)為漢寧窗或矩形窗；33)分別計(jì)算各子段的協(xié)方差矩陣和互協(xié)方差矩陣，得到協(xié)方差矩陣《1，^2和互協(xié)方差矩陣《2。6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于濾波器組的時(shí)延估計(jì)方法，其特征在于，所述步驟6)具體為61')計(jì)算互譜的相位^a)^rctan^4^，其中Re[^(/)]和h[^(/)]分別表示復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部；62')由相位譜和加權(quán)譜計(jì)算時(shí)延估計(jì)"+2^(y;i/^(/;)/2^cQy;2，其中、in，A,分別對(duì)應(yīng)處理帶寬的起止頻率；63')對(duì)各子段的時(shí)延估計(jì)平均后得到平均的時(shí)延估計(jì)。7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于濾波器組的時(shí)延估計(jì)方法，其特征在于，所述步驟5)中，所述加權(quán)函數(shù)譜『(,)為平均加權(quán)^")=1、或互譜幅度平方加權(quán)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>8、一種基于濾波器組的時(shí)延估計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用濾波器組分別估計(jì)兩路目標(biāo)信號(hào)的互譜和相應(yīng)的加權(quán)譜，以實(shí)現(xiàn)時(shí)延估計(jì)，所述的基于濾波器組的時(shí)延估計(jì)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)釆集及劃分模塊，用于數(shù)據(jù)采集并劃分^個(gè)相互重疊的長(zhǎng)度為Z的數(shù)據(jù)子段；傅里葉矩陣產(chǎn)生模塊，用于產(chǎn)生傅里葉矩陣，預(yù)先生成ZxW維傅里葉矩陣F二[H…，fw—']，傅里葉矩陣的列向量f=—^[1…e'"""-"了，v丄=2;r"/W，其中，"=0,1，-',7V-1;^/W為頻率分辨率；濾波器組產(chǎn)生模塊，用于依據(jù)計(jì)算得到的協(xié)方差和互協(xié)方差產(chǎn)生處理各子段數(shù)據(jù)的濾波器組；,互譜計(jì)算模塊，用于計(jì)算序列x^")，、(")的互譜^("zg^^g"和加權(quán)函數(shù)譜#");以及時(shí)延估計(jì)模塊，用于根據(jù)獲得的互譜和加權(quán)函數(shù)計(jì)算采用廣義互譜相位法的估2;r"、9、根據(jù)權(quán)利要求g所述的基于濾波器組的時(shí)延估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集及劃分模塊包括數(shù)據(jù)采集單元，用于釆集兩路目標(biāo)信號(hào)的采樣序列X'(")，、(")；所述的兩路目標(biāo)信號(hào)的到達(dá)存在時(shí)延差，即x"")，、(")之間存在時(shí)延r，采樣序列Xi(")，xJ")的采樣頻率為C;數(shù)據(jù)劃分單元，用于將采樣序列、(")，x^")劃分為尸個(gè)相互重疊的長(zhǎng)度為Z的子段，重疊的長(zhǎng)度一般在數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的一半以上，即重疊數(shù)據(jù)長(zhǎng)度^丄/2;以及加窗處理單元，用于產(chǎn)生窗函數(shù)，對(duì)每一個(gè)子段數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理后得到新的子段數(shù)據(jù)；所述的窗函數(shù)為漢寧窗或矩形窗。10、根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于濾波器組的時(shí)延估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，所述濾波器組產(chǎn)生模塊包括協(xié)方差和互協(xié)方差計(jì)算單元，用于分別計(jì)算兩路目標(biāo)信號(hào)的采樣序列Xi(")，、(")各自的協(xié)方差矩陣^u，^和相應(yīng)的各次逆矩陣R"'，Rg，以及兩路目標(biāo)信號(hào)的采樣序列X,(")和X2(W)的互協(xié)方差矩陣R。；所述協(xié)方差矩陣及u，722和互協(xié)方差矩陣i12的計(jì)算公式為Ru-E(x!(")xf("》，R22=￡{x2(")x(")}，Rl2=^{Xl(")xf(")};其中上標(biāo)7/表示共軛轉(zhuǎn)置操作，￡{}表示求數(shù)學(xué)期望；以及濾波器產(chǎn)生單元，用于根據(jù)設(shè)定參數(shù)a、協(xié)方差矩陣估計(jì)及其逆矩陣，得到相應(yīng)的iv個(gè)長(zhǎng)度為z相應(yīng)數(shù)據(jù)子段的濾波器組=R;",/(f,R,了f,)，g;,=R-2，,/(f,WR;2af,)，其中/^0，l,…,W-l;f'為頻率點(diǎn)；所述參數(shù)"的取值范圍為0Sa《1;所述濾波器和g,分別表示第;個(gè)子段數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的濾波器系數(shù)。11、根據(jù)權(quán)利要求g所述的基于濾波器組的時(shí)延估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，所述互譜計(jì)算模塊包括子段互譜計(jì)算單元，用于計(jì)算各數(shù)據(jù)子段的互譜^^f')-g^雙'^"和互譜幅度平方函數(shù)；以及平均互譜計(jì)算單元，用于平均各數(shù)據(jù)子段的互譜及互譜幅度平方函數(shù)。全文摘要本發(fā)明涉及一種基于濾波器組的時(shí)延估計(jì)的方法及其系統(tǒng)，利用濾波器組分別估計(jì)兩路目標(biāo)信號(hào)的互譜和相應(yīng)的加權(quán)譜，以實(shí)現(xiàn)時(shí)延估計(jì)，1)采集兩路目標(biāo)信號(hào)的采樣序列x₁(n)，x₂(n)；2)預(yù)先生成L×N維傅里葉矩陣F＝[f₀，f₁，…，f_N-1]；3)分別計(jì)算協(xié)方差矩陣R₁₁，R₂₂和相應(yīng)的各次逆矩陣R₁₁^-1，R₂₂^-1，以及互協(xié)方差矩陣R₁₂；4)計(jì)算得到N個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)相應(yīng)數(shù)據(jù)子段的濾波器組；5)計(jì)算序列x₁(n)，x₂(n)的互譜P^p₁₂(f_l)＝g^H_1,lR₁₂g_2，l和加權(quán)函數(shù)譜W(f_l)；6)計(jì)算采用廣義互譜相位法的時(shí)延估計(jì)。本方案中還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分段和加窗，目的是保證數(shù)據(jù)序列的平穩(wěn)性，提高估計(jì)的穩(wěn)健度。本發(fā)明原理明確，易于工程實(shí)現(xiàn)；不僅適合窄帶和功率譜平坦的情況，也適合功率譜有較大起伏的情況，在信道起伏導(dǎo)致功率譜不平坦的情況下，仍可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的時(shí)延估計(jì)。文檔編號(hào)H03H17/00GK101645701SQ20091009145公開(kāi)日2010年2月10日申請(qǐng)日期2009年8月25日優(yōu)先權(quán)日2009年8月25日發(fā)明者宇李,彪田,黃海寧申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所;北京中科海躍科技有限責(zé)任公司