一种基于压缩感知理论的矢量水听器稀疏布阵方法技术

本发明专利技术提供了一种基于压缩感知理论的矢量水听器稀疏布阵方法，包括如下步骤：(1)确定矢量水听器组合指向性与复合阵列指向性函数步骤、(2)构建矢量水听器阵列目标指向性波束步骤、(3)构建稀疏矢量水听器布阵问题模型步骤、(4)矢量水听器阵列稀疏重构步骤。本发明专利技术基于矢量水听器阵列稀疏布阵机理，结合凸优化和压缩感知理论，利用稀疏布阵位置与目标阵列波束之间的传感关系，采用非均匀间距布阵方式对目标波束进行重建，可获得精确的稀疏布阵结果。本发明专利技术提出的矢量稀疏布阵方法，可根据系统性能需求，自主设定期望的稀疏矢量阵列中水听器数目，可以精确控制系统复杂度。本发明专利技术提出的矢量稀疏布阵方法，采用正交匹配追踪算法，所得到的稀疏逼近结果固定，无需多次调试，可以节省大量的算法调节时间，更符合工程实际应用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于压缩感知理论的矢量水听器稀疏布阵方法
本专利技术属于声纳
，更具体地，涉及一种基于压缩感知理论的矢量水听器稀疏布阵方法。
技术介绍
矢量水听器作为一种新型的水声测量传感器，在结构上由传统的无指向性声压传感器和偶极子指向性振速传感器复合而成，可以同步、共点测量声压和振速信息，从根本上解决了“左右舷模糊”问题，在水声警戒声纳、拖曳线阵列声纳、舷侧阵共形声纳、多基地声纳等领域均有广泛应用。稀疏阵列是指在满足阵列性能约束的基础上，从传统密集布置的满阵列中移除部分阵元后得到的一种阵元以稀疏形式分布的阵列，可以在取得较高分辨率的前提下减少传感器数目，降低系统硬件成本。矢量水听器稀疏布阵技术有助于解决实际声纳阵列中的失效阵元修复和分布式多基地声纳布阵问题，具有重要工程价值。稀疏阵列设计的目的是为了寻找满足阵列性能要求的最小阵元数的阵列布置形式，本质上是寻找信号的最稀疏表达方式。压缩感知理论正是针对稀疏信号精确重构而发展起来的一门理论，其根本目的是在过完备字典里以高度非线性的形式逼近信号，在冗余状态下寻找最稀疏的解。现有稀疏布阵技术通常采用随机优化算法来寻找此类问题的全局最优解，容易接近全局最优解，但在算法实施过程中需要花费大量时间进行调节，不利于实际工程应用。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术一种基于压缩感知理论的矢量水听器稀疏布阵方法，主要步骤如下：(1)确定矢量水听器组合指向性与复合阵列指向性函数步骤：在海洋波导中，由于铅直方向为驻波，所以通常考察水平方向的二维指向性。利用单个矢量水听器的声压和振速通道输出信号，得到组合形成指向性函数R(f，θ)，其中f为水听器中心频率，θ为水平方位角。所述声压信号记为p，所述振速信号记为v，振速传感器在三维空间内均可形成偶极子指向性。依据单个矢量水听器的组合指向性函数R(f，θ)，确定由多个矢量水听器组成的复合阵列指向性函数Fm(f，θ)，其表达式为Fm(f，θ)＝R(f，θ)·F(f，θ)式中F(f，θ)为声压标量阵的指向性函数。(2)构建矢量水听器阵列目标指向性波束步骤：根据声纳系统性能要求，构建满足性能约束的矢量水听器阵列目标指向性波束凸优化问题模型s.t|wA(θ0)|＝＝1||wA(θ)||≤U，{θ}∈SL式中θ0表示主波束指向位置，U表示预定区域的期望旁瓣峰值，优化目标τ表示其余未约束区域的最大响应幅值。w表示矢量声阵列权值激励矩阵，A表示矢量声阵列流形矢量。利用凸优化问题求解方法，求得矢量声阵列的目标指向性波束Fm(f，θ)，其对应的阵列激励权值为w。(3)构建稀疏矢量水听器布阵问题模型步骤：根据声纳矢量声振列的布阵间距要求，构建虚拟间距为d0的声矢量阵列，其对应的矢量声阵列流形为A0，矢量声阵列流形与虚拟间距d0表达式为M表示虚拟矢量声阵列的水听器的数目，λ表示声阵列中心工作频率对应的波长。根据步骤(2)求得的矢量声阵列指向性波束Fm(f，θ)，构建稀疏矢量水听器阵列约束方程，进一步的，利用稀疏矢量水听器阵列流形A作为传感矩阵，可以得到稀疏矢量水听器布阵的最小0范数问题模型s.tAw0＝Fm(f，θ)(4)矢量水听器阵列稀疏重构步骤：利用正交匹配追踪算法求解稀疏矢量水听器阵列约束方程，对矢量水听器阵列进行稀疏重构，所述稀疏重构的主要步骤包括：(4.1)初始化：残差r0＝Fm(f，θ)，索引集增量矩阵Φ0为空矩阵，迭代次数gen＝1，期望稀疏度设置为K。(4.2)找出残差r和传感矩阵Aj最大投影系数对应的下标t，即t＝argmaxj＝1，2，…，N|<rgen-1，Aj>|，N表示虚拟水听器数目。(4.3)更新索引集Λgen＝Λgen-1∪{t}，记录已被索引的传感矩阵中的重建原子集合Φgen＝[Φgen-1，At]，删除传感矩阵下标t对应的列。(4.4)由最小二乘得到稀疏逼近解(4.5)更新残差gen＝gen+1(4.6)判断迭代次数是否满足gen＞K，若是，则停止迭代并输出最终的索引集位置和稀疏逼近解，否则，转入步骤(4.2)。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术基于矢量水听器阵列稀疏布阵机理，结合凸优化和压缩感知理论，利用稀疏布阵位置与目标阵列波束之间的传感关系，采用非均匀间距布阵方式对目标波束进行重建，可获得精确的稀疏布阵结果。(2)本专利技术提出的矢量稀疏布阵方法，可根据系统性能需求，自主设定期望的稀疏矢量阵列中水听器数目，可以精确控制系统复杂度。(3)本专利技术提出的矢量稀疏布阵方法，采用正交匹配追踪算法，所得到的稀疏逼近结果固定，无需多次调试，可以节省大量的算法调节时间，更符合工程实际应用。附图说明图1为本专利技术矢量水听器稀疏布阵方法流程图；图2为常规密集矢量水听器阵列的凸优化波束图；图3为稀疏布阵后的矢量水听器阵列激励权值分布图；图4为稀疏矢量水听器阵列指向性波束图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。图1为本专利技术所述基于教与学优化的矢量水听器稀疏布阵方法流程图，以此为依据，对声纳领域最常用的直线阵列进行稀疏布阵，主要步骤如下：(1)确定矢量水听器组合指向性与复合阵列指向性函数步骤：利用单个矢量水听器的声压和振速通道输出信号，得到组合形成指向性函数R(f，θ)，其中f为矢量水听器中心频率，θ为水平方位角，所述声压信号记为p，所述振速信号记为v，组合指向性为式中为引导方位，vc为组合振速，由两个正交振速分量vx和vy组合而成，其表达式为本例中考虑声纳领域中最常用的半波长均匀直线阵列，阵元数目为32，矢量水听器阵列中心频率为7.5kHz，主波束聚焦方位为90°，阵元间距为依据单个矢量水听器的组合指向性函数R(f，θ)，确定由多个矢量水听器组成的复合阵列指向性函数Fm(f，θ)，其表达式为Fm(f，θ)＝R(f，θ)·F(f，θ)式中F(f，θ)为声压标量阵的指向性函数，其表达式为(2)构建矢量水听器阵列目标指向性波束步骤：根据声纳系统性能要求，构建满足性能约束的矢量水听器阵列目标指向性波束凸优化问题模型s.t|wA(θ0)|＝＝1||wA(θ)||≤U，{θ}∈SL式中θ0表示主波束指向位置，U表示预定区域的期望旁瓣峰值，优化目标τ表示其余未约束区域的最大响应幅值。w表示矢量声阵列权值激励矩阵，A表示矢量声阵列流形矢量。本例中旁瓣区域设置为[0，85°]∪[95°，360°]。利用凸优化问题求解方法，求得矢量声阵列的目标指向性波束Fm(f，θ)，其对应的阵列激励权值为w。凸优化后的矢量声阵列指向性波束图和原始阵列指向性波束图对比情况如图2所示，原始阵列的旁瓣峰值为-13.3dB，优化后的旁瓣峰值为-26.13dB。(3)构建稀疏矢量水听器布阵问题模型步骤：根据声纳矢量声振列的布阵间距要求，构建虚拟间距为d0的声矢量阵列，其对应的矢量声阵列流形为A0，矢量声阵列流形与虚拟间距d0表达式为M表示虚拟矢量声阵列的水听器的数目，λ表示声阵列中心工作频率对应的波长。本例中矢量声阵列的虚拟间距设为d0＝λ/40＝0.05cm，对应的虚拟阵元数目为621。根据步骤(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于压缩感知理论的矢量水听器稀疏布阵方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)确定矢量水听器组合指向性与复合阵列指向性函数步骤：在海洋波导中，由于铅直方向为驻波，所以通常考察水平方向的二维指向性。利用单个矢量水听器的声压和振速通道输出信号，得到组合形成指向性函数R(f，θ)，其中f为水听器中心频率，θ为水平方位角。所述声压信号记为p，所述振速信号记为v，振速传感器在三维空间内均可形成偶极子指向性。依据单个矢量水听器的组合指向性函数R(f，θ)，确定由多个矢量水听器组成的复合阵列指向性函数Fm(f，θ)，其表达式为Fm(f，θ)＝R(f，θ)·F(f，θ)式中F(f，θ)为声压标量阵的指向性函数。(2)构建矢量水听器阵列目标指向性波束步骤：根据声纳系统性能要求，构建满足性能约束的矢量水听器阵列目标指向性波束凸优化问题模型

【技术特征摘要】
1.一种基于压缩感知理论的矢量水听器稀疏布阵方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)确定矢量水听器组合指向性与复合阵列指向性函数步骤：在海洋波导中，由于铅直方向为驻波，所以通常考察水平方向的二维指向性。利用单个矢量水听器的声压和振速通道输出信号，得到组合形成指向性函数R(f，θ)，其中f为水听器中心频率，θ为水平方位角。所述声压信号记为p，所述振速信号记为v，振速传感器在三维空间内均可形成偶极子指向性。依据单个矢量水听器的组合指向性函数R(f，θ)，确定由多个矢量水听器组成的复合阵列指向性函数Fm(f，θ)，其表达式为Fm(f，θ)＝R(f，θ)·F(f，θ)式中F(f，θ)为声压标量阵的指向性函数。(2)构建矢量水听器阵列目标指向性波束步骤：根据声纳系统性能要求，构建满足性能约束的矢量水听器阵列目标指向性波束凸优化问题模型式中θ0表示主波束指向位置，U表示预定区域的期望旁瓣峰值，优化目标τ表示其余未约束区域的最大响应幅值。w表示矢量声阵列权值激励矩阵，A表示矢量声阵列流形矢量。利用凸优化问题求解方法，求得矢量声阵列的目标指向性波束Fm(f，θ)，其对应的阵列激励权值为w。(3)构建稀疏矢量水听器布阵问题模型步骤：根据声纳矢量声振列的布阵间距要求，构建虚拟间距为d0的声矢量阵列，其对应的矢量声阵列流形为A0...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗再磊，沈同圣，赵德鑫，黎松，郭少军，刘峰，孟路稳，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11