一种基于矢量水听器的相干声源定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于矢量水听器的相干声源定位方法，使用矢量水听器阵列采集声源信号，并获得采集信号的协方差矩阵；利用互不重叠子阵列抽取数据的方法进行信号解相干；利用最小二乘方法估计解相干后协方差矩阵的信号子空间，根据矢量水听器阵列流型旋转不变特性进行求解，最终得到多个相干声源的二维DOA估计。本发明专利技术方法估计相干声源方位准确度高，易于实现，还能够有效克服方位模糊问题和相干声源彼此干扰问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于矢量水听器的相干声源定位方法
本专利技术涉及相干声源情况下矢量水听器阵列声源定位领域，具体为一种基于矢量水听器的相干声源定位方法。
技术介绍
矢量水听器是由在水下声场中正交分布的两到三个振速水听器加上一个声压水听器组成。由于其比传统声压水听器优越的识别能力，矢量水听器阵列在水下信号处理中发挥了重要作用，并且在水下识别、海湾声学反演和水下通信(见文献：SongA,AbdiA,BadieyM,etal.ExperimentalDemonstrationofUnderwaterAcousticCommunicationbyVectorSensors[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,2011,36(3):454-461.)等领域中得到了广泛的应用。在过去的十年中，许多基于矢量水听器的子空间技术被提出，例如MUSIC和ESPRIT，还有使用矢量水听器阵列来估计2D水下信号方位(见文献：HeJ,LiuZ.Efficientunderwatertwo-dimensionalcoherentsourcelocalizationwithlinearvector-hydrophonearray[J].SignalProcessing,2009,89(9):1715-1722.)。以上所述方法均采用非相干信号，即信号协方差矩阵具有全秩。然而，这种假设在多路径传播或蓄意干扰而存在相干或者高度相关的情况下往往不适用。相干信号可以降低入射信号协方差矩阵的秩，从而严重降低技术的性能，无法正确估计声源的位置。因此，学者们针对声源相干问题进行了大量的研究并提出了如最大似然法、空间平滑技术和Toeplitz方法等解决方法。为了用矢量水听器阵列处理相干信号，文献(TaoJ,ChangW,ShiY.Direction-findingofcoherentsourcesvia'particle-velocity-fieldsmoothing'[J].IetRadarSonar&Navigation,2008,2(2):127-134.)提出了通过数据相关矩阵的矢量平滑技术来恢复信号子空间的秩。然而，这种矢量平滑技术需要几何平面阵列或2D迭代搜索来估计入射信号的二维方向。文献(LiuS,YangL,XieY,etal.2DDOAEstimationforCoherentSignalswithAcousticVector-SensorArray[J].WirelessPersonalCommunications,2017,95(2):1285-1297)提出了一种使用ESPRIT估计入射信号仰角，通过修正的阵列流型匹配得到相干信号的方位角的方法。该方法相对文献(GuJF,WeiP,TaiHM.2-Ddirection-of-arrivalestimationofcoherentsignalsusingcross-correlationmatrix[J].SignalProcessing,2008,88(1):75-85.)中的计算过程操作简便，定位更加准确。上述方法都是分步计算，即先得到俯仰角再根据俯仰角求得方位角，进而得到相干声源的方位。由此可知，俯仰角的估计误差会影响方位角的准确估计，定位精度将受到了极大影响。
技术实现思路
本专利技术针对现有的矢量水听器对相干声源定位的不足，提出一种基于矢量水听器的相干声源定位方法，以解决谱峰搜索带来的计算量和分步估计带来的误差等问题。本专利技术适用于任意结构的矢量水听器阵列，能够实现角度估计自动配对。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于矢量水听器的相干声源定位方法，包括如下步骤：步骤1：使用M元矢量水听器阵列采集K个声源信号，建立矢量水听器阵列接收数据模型；步骤2：根据接收信号求得协方差矩阵，利用互不重叠子阵列抽取数据的方法进行信号解相干；步骤3：使用变换矩阵，提取解相干后阵列流型中的声压矢量和振速矢量；步骤4：利用最小二乘方法估计解相干后协方差矩阵的信号子空间；步骤5：根据矢量水听器阵列流型旋转不变特性进行求解得到相干声源的二维DOA估计。步骤1中矢量水听器阵列接收数据模块建立具体步骤为：假设K个波长为λ的窄带平面波信号si(t),i＝1,2,...,K从远场入射到M元矢量水听器阵列上，且声场中各噪声之间、噪声与信号之间互不相关，K个信号中有Lmax个相干声源，设声源的俯仰角为方位角为φi,i＝1,2,...,K，则矢量水听器的阵列流型矢量为：式中，每个矢量水听器阵列接收数据模型为：式中，表示第m个阵元的阵列流型矢量，nm(t)表示第m个阵元接收到的噪声，m＝1,2,...,M、t＝1,2,...,N、ψi＝(2πd/λ)γi，i＝1,2,...K，其中M表示阵元数，N表示信号的快拍数，K表示声源个数。步骤2具体如下：由式(2)可得阵列接收信号：x(t)＝As(t)+n(t)，t＝1,2,...,N(3)式中，阵列接收信号的相关矩阵为：式中，表示信号的相关矩阵；把相关矩阵先分为Lmax个子阵，Lmax表示相干声源的个数，每个子阵的维度为4(M-Lmax+1)×4M，第l个子阵标记为Rl，l＝1,2,…lmax，由Rx的第4(l-1)+1行到4(M-Lmax+1)行组成，通过这些子阵，构造一个新的矩阵R：式中，矩阵R的维数为4(M-Lmax+1)×4MLmax；根据阵列接收信号的相关矩阵：带入矩阵R，可以得到：：式中，由于所以当子阵阵元数目≥K时解相干后的数据协方差矩阵R是满秩的。步骤3具体如下：使用转换矩阵J将矩阵R阵列流型中的声压矢量和振速矢量提取出来，得到一个新矩阵可以表示为式中，J＝[J1J2J3J4]，ei是第i个分量为1其他都为零的4(M＝Lmax+1)×1单位向量；分段表示转换后的阵列流型矩阵可以分段写成：式中，由此得Aj和A4的关系：Aj＝A4Γj，j＝1,2,3(10)式中，Γ1＝diag{α1,α2,…αK}，Γ2＝diag{β1,β2,…βK}，Γ3＝diag{γ1,γ2,…γK}，三个矩阵都为K×K对角矩阵；通过估计矩阵Гj中元素的值得到第i个声源的方位步骤4具体如下：矩阵的K个最大特征向量对应的特征矢量与K个声源的阵列流型矢量是线性关系，由此可以得到：式中Uj＝AjT，j＝1,2,3,4(14)从U4＝A4T可以推导出A4＝U4T-1。由U1＝A1T＝A4Γ1T可以得到U1＝U4T-1Γ1T，相似地可以得到，U2＝U4T-1Γ2T，U3＝U4T-1Γ3T；我们定义Λj＝T-1ΓjT，j＝1,2,3(15)则Λj的特征值是矩阵Γi的对角元素。所以构造矩阵Λi的估计值，计算它的特征值，就可以得到信号的方位式(14)可以写成Uj＝U4Λj(16)从上式可以推出矩阵的K个最大特征值对应的特征向量构成信号子空间特征向量；假设Uj和Λj的估计值分别为和利用最小二乘方法估计信号子空间：得到的估计值为：步骤5具体为：先求得的特征值中可以得到令：得到每个声源的方位角和俯仰角：有益效果：本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：(1)本专利技术采用线性矢量水听器阵列，相比常见L型阵列，阵列结构更为简便。(2)本专利技术采用互不重叠的子阵提取方法解相干，在保留较本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于矢量水听器的相干声源定位方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：使用M元矢量水听器阵列采集K个声源信号，建立矢量水听器阵列接收数据模型；步骤2：根据接收信号求得协方差矩阵，利用互不重叠子阵列抽取数据的方法进行信号解相干；步骤3：使用变换矩阵，提取解相干后阵列流型中的声压矢量和振速矢量；步骤4：利用最小二乘方法估计解相干后协方差矩阵的信号子空间；步骤5：根据矢量水听器阵列流型旋转不变特性进行求解得到相干声源的二维DOA估计。

【技术特征摘要】
2018.06.06 CN 20181057363441.一种基于矢量水听器的相干声源定位方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：使用M元矢量水听器阵列采集K个声源信号，建立矢量水听器阵列接收数据模型；步骤2：根据接收信号求得协方差矩阵，利用互不重叠子阵列抽取数据的方法进行信号解相干；步骤3：使用变换矩阵，提取解相干后阵列流型中的声压矢量和振速矢量；步骤4：利用最小二乘方法估计解相干后协方差矩阵的信号子空间；步骤5：根据矢量水听器阵列流型旋转不变特性进行求解得到相干声源的二维DOA估计。2.根据权利要求1所述的种基于矢量水听器的相干声源定位方法，其特征在于，步骤1中矢量水听器阵列接收数据模块建立具体步骤为：假设K个波长为λ的窄带平面波信号si(t),i＝1,2,...,K从远场入射到M元矢量水听器阵列上，且声场中各噪声之间、噪声与信号之间互不相关，K个信号中有Lmax个相干声源，设声源的俯仰角为方位角为φi,i＝1,2,...,K，则矢量水听器的阵列流型矢量为：式中，每个矢量水听器阵列接收数据模型为：式中，表示第m个阵元的阵列流型矢量，nm(t)表示第m个阵元接收到的噪声，m＝1,2,...,M、t＝1,2,...,N、ψi＝(2πd/λ)γi，i＝1,2,...K，其中M表示阵元数，N表示信号的快拍数，K表示声源个数。3.根据权利要求2所述的一种基于矢量水听器的相干声源定位方法，其特征在于，所述步骤2具体如下：由式(2)可得阵列接收信号：x(t)＝As(t)+n(t)，t＝1,2,...,N(3)式中，阵列接收信号的相关矩阵为：式中，表示信号的相关矩阵；把相关矩阵先分为Lmax个子阵，Lmax表示相干声源的个数，每个子阵的维度为4(M-Lmax+1)×4M，第l个子阵标记为Rl,l＝1,2,…lmax，由Rx的第4(l-1)+1行到4(M-Lmax+1)行组成，通过这些...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭业才，韩金金，王超，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32