一种改进的直升机声测被动定向算法

    被动声定位技术是利用声学与电子装置接收声场信号,以确定声源的方位和距离的一种技术。目标定位首要的任务是定向,所选定向算法不仅应在性能优越,而且在工程实现上要求简单,有较强的鲁棒性和实时性。考虑到工程实际,本文采用经典的时延估计算法。常见的时延估计方法有相位谱法,广义互相关法以及参数模型法。相比而言,相位谱时延估计具有简单,易于实现和实时性好等优点。本文就其应用于直升机被动声定向,提出了一种改进的相位谱算法,并根据各种飞行状态下的实测直升机噪声数据,进行了计算机仿真。

    1 时延估计原理与算法改进

    1.1 相位谱时延估计[1]

    假设两个声传感器接收到的信号模型为

x1(t) = s(t) + n1(t) (111)

x2(t) = s(t-D) + n2(t) (112)

    其中,s(t)为接收到的源信号;D为源信号到达第一个声传感器与到达第二个声传感器的时间差,即待估计的时间延迟;n1(t)和n2(t)为两个叠加性噪声。假定声传播信道为非色散信道,s(t)、n1(t)、n2(t)为互不相关的平稳随机过程。

    x1(t)与x2(t)的互相关函数为

Rx1x2= E[x1(t)x2(t+S)] = Rss(S-D)(113)

     式中,Rss(#)为源信号的自相关函数,利用Wiener-Khinchine定理,得x1(t),x2(t)的互功率谱为

    其中,Gss(f)为源信号的自功率谱,其相位为零。因此,Gx1x2(f)的相位谱函数为

    (114)式表明,x1(t)与x2(t)的互功率谱的相位是频率的线性函数。可以通过相位谱函数的斜率而求得时延D1

    1.2 时延估计的改进算法

    改进算法一:传统的相位谱时延估计方法,在信号功率谱平坦的情况下,其时延估计的方差能够达到Cramer-Rao下界,否则将产生较大的时延估计误差。通过211节直升机的声谱分析可知,其噪声主要由离散线谱和宽带连续谱组成,宽带谱的能量主要集中在16~400Hz以内。因此,相位谱估计值^

    首先,估计互功率谱

    G^x1x2(f) = X1(f)X*2(f)1

    式中,X1(f)是x1(t)的傅立叶变换,X*2(f)是x2(t)的傅立叶变换的复共轭。然后估计G^x1x2(f)的相位谱,最后,采用最小二乘原理,并用互功率谱幅度的平方加权,对估计出的相位数据进行线性拟合,以求得相位谱时延估计为

    值得注意的是,在估计互谱的相位时,通常会存在相位卷绕问题。本文采用差分方法处理相位卷绕,通过相位的差分处理,可将线性增量变为一常量,并且采用共轭运算即可实现。记估计出的相位谱为G^12(k),k =1,2,,,N1N为分析的数据点数。对相位谱进行后向差分,则可得到一个新序列,记为Gc12(k) = G^12(k)#conj(G^12(k-1))1式中,k =1,2,,,N;conj(#)表示取共轭。再对G^12(k)的相位进行累加求和,从而恢复出线性变化的相位曲线。