聲矢量陣高精度遠程方位估計方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種聲矢量陣高精度遠程方位估計方法。(1)對二維矢量水聽器陣列的接收信號進行窄帶濾波，獲得待處理頻點上的窄帶輸出信號；(2)將二維矢量水聽器陣列相互正交的兩個振速分量在復數(shù)域進行線性組合，轉(zhuǎn)換為兩個新的振速輸出分量；(3)采用最大似然估計求出一定數(shù)量采樣快拍下的聲壓及復數(shù)域雙振速分量的互協(xié)方差矩陣對；(4)應用矩陣束的ESPRIT算法計算基于廣義聲能流的聲壓振速互協(xié)方差矩陣對之間的旋轉(zhuǎn)不變因子，從而進行方位估計。本發(fā)明能夠在任意陣型甚至未知陣型的情況下進行高精度的方位估計，不會出現(xiàn)某些方向的信號被嚴重削弱甚至完全屏蔽的現(xiàn)象。此外具有更低的可處理信噪比門限。
【專利說明】聲矢量陣高精度遠程方位估計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種水聲探測及水聲定位方法，具體涉及一種聲矢量陣的方位估計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]聲場兼具有標量場和矢量場，其中聲壓提供了標量信息，振速提供了矢量信息，該矢量方向與聲波的傳播方向一致。矢量水聽器由聲壓水聽器和振速水聽器組合而成，能夠同時拾取聲場中的聲壓與振速信息，相較于傳統(tǒng)的聲壓水聽器陣列，矢量水聽器陣列獲得了更多的信息，因而能夠提供更大的處理空間。
[0003]國內(nèi)外學者對基于聲矢量陣的方位估計應用進行了大量的研究。文獻[I], Malcolm Hawkes和 Arye Nehorai(Acoustic Vector-sensor Corrections in AmbientNoise.1EEE J.0ceanic Eng, 2001，26(3):337-347.)對各向同性噪聲場中的聲壓與振速的相關(guān)特性進行了探討，并給出了聲壓與振速相關(guān)系數(shù)的計算公式。文獻[2]白興宇等(一種新的聲矢量陣遠程ESPRIT方位估計算法.哈爾濱工程大學學報，2006，27(6):891?895.)、文獻[3](基于聲壓振速聯(lián)合處理的聲矢量陣信源數(shù)檢測與方位估計.聲學學報，2008, 33(1):56?61.)提出將聲矢量陣的聲壓振速互協(xié)方差矩陣應用于方位估計中，將聲矢量陣的抗各向同性噪聲能力與高分辨方位估計算法結(jié)合在一起，取得了較好的效果。但該方法的振速分量具有空間濾波效果，可能導致感興趣的信號被屏蔽掉。文獻[4]張攬月等(矢量陣的非空間ESPRIT算法.哈爾濱工程大學學報，2009，30 (4):406?410.)利用聲矢量陣的聲壓與振速傳感器陣列之間的旋轉(zhuǎn)不變性，能夠在未知陣列流形的情況下對目標進行方位估計，但該方法未利用聲壓與振速通道噪聲的不相關(guān)特性，估計精度還有待提聞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提出一種能夠用于任意陣型甚至未知陣型聲矢量陣列，并且結(jié)合了聲矢量陣抗各向同性噪聲能力，精度高的聲矢量陣高精度遠程方位估計方法。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0006](I)對二維矢量水聽器陣列的接收信號進行窄帶濾波，獲得待處理頻點上的窄帶輸出信號；
[0007](2)將二維矢量水聽器陣列相互正交的兩個振速分量在復數(shù)域進行線性組合，轉(zhuǎn)換為兩個新的振速輸出分量，即構(gòu)造復數(shù)域雙振速分量；
[0008](3)采用最大似然估計求出一定數(shù)量采樣快拍下的聲壓及復數(shù)域雙振速分量的互協(xié)方差矩陣對，即構(gòu)造出基于廣義聲能流的聲壓振速互協(xié)方差矩陣對；
[0009](4)應用矩陣束的ESPRIT算法計算基于廣義聲能流的聲壓振速互協(xié)方差矩陣對之間的旋轉(zhuǎn)不變因子，從而進行方位估計。
[0010]本發(fā)明還可以包括:[0011]1.所述的構(gòu)造復數(shù)域雙振速分量具體包括:將y方向的振速輸出分量'與復數(shù)單位j相乘，再與X方向的振速輸出分量Vx相加獲得新的振速輸出分量V1 ;將I方向的振速輸出分量Vy與負的復數(shù)單位_j相乘，再與X方向的振速輸出分量Vx相加獲得新的振速輸出分量v2。V1和V2構(gòu)成了復數(shù)域雙振速分量，它們依然攜帶了振速場的方向信息，并且具有全向的接收能力，是對常規(guī)振速分量的一種改進。
[0012]2.所述的構(gòu)造出基于廣義聲能流的聲壓振速互協(xié)方差矩陣對具體包括:將一定采樣快拍數(shù)量的聲壓傳感器陣列的輸出分別與兩個新的復數(shù)域振速輸出分量的共軛轉(zhuǎn)置相乘，并求其平均值，得到基于廣義聲能流的互協(xié)方差矩陣對R1和R2。
[0013]3.所述的基于廣義聲能流的ESPRIT算法，其思想是:求解上述所得的聲壓振速協(xié)方差矩陣對的非零廣義特征值，從而給出目標的方位估計結(jié)果。為了避免在求解非零廣義特征值的過程中出現(xiàn)潛在的數(shù)值困難，所述應用矩陣束的ESPRIT算法計算基于廣義聲能流的聲壓振速互協(xié)方差矩陣對之間的旋轉(zhuǎn)不變因子中采用奇異值分解(SVD)和總體最小二乘法(TLS)將一個較大維數(shù)的病態(tài)最小二乘問題轉(zhuǎn)化為一個較小維數(shù)的非病態(tài)總體最小二乘問題。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點體主要體現(xiàn)在:(I)常規(guī)聲矢量陣的ESPRIT算法采用數(shù)據(jù)的自相關(guān)矩陣進行特征分解，即使在理想情況下，其信號子空間中仍然存在噪聲。對于聲矢量陣，當陣元間距滿足聲壓與振速的噪聲相關(guān)半徑時，聲壓與振速分量之間的噪聲是不相關(guān)的，本發(fā)明采用聲壓與振速的互協(xié)方差矩陣，充分利用了聲壓與振速噪聲場的不相關(guān)特性，具有良好的抗各向同性噪聲能力；(2)常規(guī)的振速輸出分量以及基于Givess旋轉(zhuǎn)的組合振速輸出都具有空間指向性，對不同方向的入射信號具有不同的幅值加權(quán)，尤其是從觀測方向的正交方向入射的信號會被完全屏蔽掉。本發(fā)明對振速輸出分量做了改進，對各方向的入射信號都具有相同的幅度響應，能夠完整接收到從各方向入射的信號；(3)本發(fā)明所構(gòu)造的振速輸出分量之間具有旋轉(zhuǎn)不變性，其對應的旋轉(zhuǎn)因子僅與信號的入射方向有關(guān)，而與陣列的空間位置無關(guān)，應用ESPRIT算法能夠?qū)崿F(xiàn)在任意陣型甚至未知陣型的情況下進行高精度的方位估計。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為各向同性噪聲場中聲壓振速的空間相關(guān)函數(shù)曲線；
[0016]圖2為給出的一組不規(guī)則陣型聲矢量陣位置示意圖；
[0017]圖3為本發(fā)明的實現(xiàn)框圖；
[0018]圖4(a)-圖4(e)為單目標信號從30°方向入射時聲壓、振速以及復數(shù)域雙振速通道輸出頻譜，其中:圖4(a)聲壓通道頻譜，圖4(b)振速通道Vx頻譜，圖4(C)振速通道Vy頻譜，圖4 (d)振速通道V1頻譜，圖4 (e)振速通道V2頻譜；
[0019]圖5(a)-圖5(e)為雙目標信號分別從30°、40°方向入射時聲壓、振速以及復數(shù)域雙振速通道輸出頻譜，其中:圖5 (a)聲壓通道頻譜，圖5 (b)振速通道Vx頻譜，圖5 (C)振速通道Vy頻譜，圖5 (d)振速通道V1頻譜，圖5 (e)振速通道V2頻譜；
[0020]圖6為單目標方位估計均方根誤差曲線；
[0021]圖7為雙目標方位估計均方根誤差曲線；
[0022]圖8 (a)-圖8 (e)為信號從y軸方向入射時聲壓、振速以及復數(shù)域雙振速通道輸出頻譜，其中:圖8 (a)聲壓通道頻譜，圖8 (b)振速通道Vx頻譜，圖8 (C)振速通道Vy頻譜，圖8 (d)振速通道V1頻譜，圖8 (e)振速通道V2頻譜；
[0023]圖9(a)-圖9(b)為從y軸附近方向入射的信號的方位估計結(jié)果，圖9 (a)是采用常規(guī)振速輸出分量的方位估計結(jié)果，圖9(b)是采用復數(shù)域雙振速分量的方位估計結(jié)果。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步具體說明:
[0025]1.計算步驟
[0026]1.1.陣列輸出模型
[0027]假設N元二維聲矢量陣的第i個陣元位置的極坐標為Qri, a J，i=l, 2，…，N, D個中心頻率為ω的窄帶遠場平面波入射到基陣上，其中第k個信號的入射方向為0k，則陣列的輸出信號可記為:
[0028]
【權(quán)利要求】
1.一種聲矢量陣高精度遠程方位估計方法，其特征是: (1)對二維矢量水聽器陣列的接收信號進行窄帶濾波，獲得待處理頻點上的窄帶輸出信號; (2)將二維矢量水聽器陣列相互正交的兩個振速分量在復數(shù)域進行線性組合，轉(zhuǎn)換為兩個新的振速輸出分量，即構(gòu)造復數(shù)域雙振速分量； (3)采用最大似然估計求出一定數(shù)量采樣快拍下的聲壓及復數(shù)域雙振速分量的互協(xié)方差矩陣對，即構(gòu)造出基于廣義聲能流的聲壓振速互協(xié)方差矩陣對； (4)應用矩陣束的ESPRIT算法計算基于廣義聲能流的聲壓振速互協(xié)方差矩陣對之間的旋轉(zhuǎn)不變因子，從而進行方位估計。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲矢量陣高精度遠程方位估計方法，其特征是所述的構(gòu)造復數(shù)域雙振速分量具體包括:將y方向的振速輸出分量Vy與復數(shù)單位j相乘，再與χ方向的振速輸出分量vx相加獲得新的振速輸出分量V1 ;將y方向的振速輸出分量vy與負的復數(shù)單位_j相乘，再與χ方向的振速輸出分量Vx相加獲得新的振速輸出分量N2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲矢量陣高精度遠程方位估計方法，其特征是所述的構(gòu)造出基于廣義聲能流的聲壓振速互協(xié)方差矩陣對具體包括:將一定采樣快拍數(shù)量的聲壓傳感器陣列的輸出分別與兩個新的復數(shù)域振速輸出分量的共軛轉(zhuǎn)置相乘，并求其平均值，得到基于廣義聲能流的互協(xié)方差矩陣對R1和R2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聲矢量陣高精度遠程方位估計方法，其特征是:所述應用矩陣束的ESPRIT算法計算基于廣義聲能流的聲壓振速互協(xié)方差矩陣對之間的旋轉(zhuǎn)不變因子中采用奇異值分解和總體最小二乘法將一個較大維數(shù)的病態(tài)最小二乘問題轉(zhuǎn)化為一個較小維數(shù)的非病態(tài)總體最小二乘問題。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的聲矢量陣高精度遠程方位估計方法，其特征是:所述應用矩陣束的ESPRIT算法計算基于廣義聲能流的聲壓振速互協(xié)方差矩陣對之間的旋轉(zhuǎn)不變因子中采用奇異值分解和總體最小二乘法將一個較大維數(shù)的病態(tài)最小二乘問題轉(zhuǎn)化為一個較小維數(shù)的非病態(tài)總體最小二乘問題。
【文檔編號】G01S3/802GK103605108SQ201310322324
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月29日
【發(fā)明者】梁國龍, 范展, 陶凱, 王燕, 王逸林, 張光普, 付進 申請人:哈爾濱工程大學