一种声矢量阵联合处理方位估计方法技术

本发明专利技术公开了一种声矢量阵联合处理方位估计方法，建立声矢量阵输出信号模型，根据所述模型构建声压振速联合处理的协方差矩阵R

【技术实现步骤摘要】
一种声矢量阵联合处理方位估计方法


[0001]本专利技术属于水声阵列信号处理领域，涉及一种声矢量阵联合处理方位估计方法，特别是一种基于协方差矩阵分解的声矢量阵声压振速联合处理方位估计方法。

技术介绍

[0002]声矢量传感器通常由声压传感器和质点振速传感器复合而成，可空间共点、同步拾取声场中的声压和质点振速信息。由于感知声场信息更全面，声矢量传感器阵列的信号处理方式更为多样化，基本可分为基于Nehorai处理框架和声压振速联合处理两类。
[0003]声矢量阵Nehorai处理框架于1994年由Arye Nehorai提出(Arye Nehorai,Eytan Paldi.Acoustic vector
‑
sensor array processing.[J].IEEE Trans.Signal Processing,1994,42(9))，其思想是将声矢量传感器输出的振速分量视为与声压分量独立的信息进行处理，尽管这种处理方式使基于声压阵的空间谱估计方法能够被扩展到声矢量阵中，但其带来的性能提升仍不足以满足水下低信噪比环境的目标方位估计需求。
[0004]声压振速联合处理方法的核心思想就是充分利用声压振速的空间相关特性抑制噪声，白兴宇等(白兴宇,姜煜,赵春晖.基于声压振速联合处理的声矢量阵信源数检测与方位估计[J].声学学报,2008(01):56
‑
61.)通过构建声压振速互协方差矩阵，实现了对远程目标的高分辨检测与定向；姚直象拓展了声压振速互协方差矩阵概念(姚直象,胡金华,姚东明.基于多重信号分类法的一种声矢量阵方位估计算法[J].声学学报(中文版),2008(04):305
‑
309.)，利用矢量传感器的组合指向性增益，进一步降低了方位估计的信噪比门限，在多目标分辨能力和分辨概率等方面都获得了更好的性能。但是，声压振速互协方差矩阵构造过程中，需要将振速分量投影到某观测方位上以得到该方向上的组合振速，而声压振速联合处理方法本身具有一定空间滤波能力，将观测方位指定为某固定值可能使某些方位信号被滤除或削弱，进而导致输出信噪比降低或信源漏检，若令观测方位随空间谱搜索方位扫描，则会引起互协方差矩阵变化，进而使算法复杂度剧烈增加。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术，本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于协方差矩阵分解的声矢量阵声压振速联合处理方位估计方法，将观测方位从声压振速互协方差矩阵中剥离，避免了观测方位固定导致某些方位信号被滤除或削弱的问题，也无需对观测方位进行扫描，解决了算法复杂度过高的问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术的一种声矢量阵联合处理方位估计方法，建立声矢量阵输出信号模型，根据所述模型构建声压振速联合处理的协方差矩阵R
V
，将协方差矩阵R
V
分解为观测系数矩阵与剩余协方差矩阵R
uv
，将观测方位从声压振速互协方差矩阵中剥离，然后通过对剩余协方差矩阵的奇异值分解重构厄米特协方差矩阵，最后使用所述重构协方差矩阵实施空间谱估计，得到估计方位。
[0007]进一步的，本专利技术的一种声矢量阵联合处理方位估计方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，建立任意几何形状M阵元的声矢量阵输出信号模型，以阵列最左端阵元为原点建立x，y参考直角坐标系，第m个阵元坐标为(x
m
，y
m
)，获取声矢量阵列声压通道输出矢量p(n)和振速x，y通道输出矢量v
x
(n)，v
y
(n)：
[0009][0010]式中，s(n)＝[s1(n)，
…
，s
K
(n)]T
表示信源矢量，K为信源数目，符号T表示转置运算，A(θ)是声压阵列流形矩阵，A(θ)＝[a(θ1)，a(θ2)，
…
，a(θ
K
)]，θ
k
为第k个信源的方位角，声压阵列导向矢量a(θ
k
)＝[1，exp(
‑
j2πf0τ2)，
…
，exp(
‑
j2πf0τ
M
)]T
，τ
m
＝(x
m cosθ
k
+y
m sinθ
k
)/C，C为声速，f0为信源中心频率，Φ
vx
＝diag[cos(θ1)，
…
，cos(θ
K
)]，Φ
vy
＝diag[sin(θ1)，
…
，sin(θ
K
)]分别为振速x，y通道系数矩阵，n
p
(n)，n
vx
(n)，n
vy
(n)分别为声压和振速x，y通道背景噪声矢量；
[0011]步骤2，组合振速x，y通道输出矢量v
x
(n)，v
y
(n)，得到观测方位θ
r
时的组合振速：
[0012]v
c
(n)＝cos(θ
r
)v
x
(n)+sin(θ
r
)v
y
(n)，
[0013]构建声压振速联合处理的协方差矩阵R
V
，R
V
由(p+v
c
)v
c
联合处理组合方式求得，E{
·
}表示期望运算；
[0014]步骤3，将协方差矩阵R
V
分解为v
c
(n)的观测系数矩阵T
v
(θ)、p(n)+v
c
(n)的观测系数矩阵T
u
(θ)与剩余协方差矩阵R
uv
；
[0015]步骤4，对剩余协方差矩阵R
uv
奇异值分解，获得非零奇异值组成的对角阵Λ，以及Λ对应列组成的左奇异向量U和右奇异向量V，R
uv
＝UΛV
H
，并选取U或V构建新的协方差矩阵R
C
＝UΛU
H
或R
C
＝VΛV
H
；
[0016]步骤5，新的导向矢量a
C
(θ)由观测系数矩阵T(θ)与导向矢量a(θ)生成，a
C
(θ)＝T
H
(θ)a(θ)，其中，当R
C
＝UΛU
H
时，T(θ)＝T
u
(θ)，当R
C
＝VΛV
H
时，T(θ)＝T
v
(θ)；
[0017]步骤6，利用协方差矩阵R
C
和导向矢量a
C
(θ)实施空间谱估计方法，得到估计方位。
[0018]进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种声矢量阵联合处理方位估计方法，其特征在于：建立声矢量阵输出信号模型，根据所述模型构建声压振速联合处理的协方差矩阵R
V
，将协方差矩阵R
V
分解为观测系数矩阵与剩余协方差矩阵R
uv
，将观测方位从声压振速互协方差矩阵中剥离，然后通过对剩余协方差矩阵的奇异值分解重构厄米特协方差矩阵，最后使用所述重构协方差矩阵实施空间谱估计，得到估计方位。2.根据权利要求1所述的一种声矢量阵联合处理方位估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立任意几何形状M阵元的声矢量阵输出信号模型，以阵列最左端阵元为原点建立x,y参考直角坐标系，第m个阵元坐标为(x
m
,y
m
)，获取声矢量阵列声压通道输出矢量p(n)和振速x,y通道输出矢量v
x
(n),v
y
(n)：式中，s(n)＝[s1(n),
…
,s
K
(n)]
T
表示信源矢量，K为信源数目，符号T表示转置运算，A(θ)是声压阵列流形矩阵，A(θ＝[a(θ1),a(θ2),
…
,a(θ
K
)]，θ
k
为第k个信源的方位角，声压阵列导向矢量a(θ
k
)＝[1,exp(
‑
j2πf0τ2),
…
,exp(
‑
j2πf0τ
M
)]
T
，τ
m
＝(x
m
cosθ
k
+y
m
sinθ
k
)/C，C为声速，f0为信源中心频率，Φ
vx
＝diag[cos(θ1),
…
,cos(θ
K
)]，Φ
vy
＝diag[sin(θ1),
…
,sin(θ
K
)]分别为振速x,y通道系数矩阵，n
p
(n),n
vx
(n),n
vy
(n)分别为声压和振速x,y通道背景噪声矢量；步骤2，组合振速x,y通道输出矢量v
x
(n),v
y
(n)，得到观测方位θ
r
时的组合振速：v
c
(n)＝cos(θ
r
)v
x
(n)+sin(θ
r
)v
y
(n)，构建声压振速联合处理的协方差矩阵R
V
，R
V
由(p+v
c
)v
c
联合处理组合方式求得，E{
·
}表示期望运算；步骤3，将协方差矩阵R
V
分解为v
c
(n)的观测系数矩阵T
v
(θ)、p(n)+v
c
(n)的观测系数矩阵T
u
(θ)与剩余协方差矩阵R
uv
；步骤4，对剩余协方差矩阵R
uv
奇异值分解，获得非零奇异值组成的对角阵Λ，以及Λ对应列组成的左奇异向量U和右奇异向量V，R
uv
＝UΛV
H
，并选取U或V构建新的协方差矩阵R
C
＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：时胜国，张旭，杨德森，朱晓春，朱中锐，徐付佳，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：