声矢量阵高精度远程方位估计方法技术

本发明专利技术提供的是一种声矢量阵高精度远程方位估计方法。(1)对二维矢量水听器阵列的接收信号进行窄带滤波，获得待处理频点上的窄带输出信号；(2)将二维矢量水听器阵列相互正交的两个振速分量在复数域进行线性组合，转换为两个新的振速输出分量；(3)采用最大似然估计求出一定数量采样快拍下的声压及复数域双振速分量的互协方差矩阵对；(4)应用矩阵束的ESPRIT算法计算基于广义声能流的声压振速互协方差矩阵对之间的旋转不变因子，从而进行方位估计。本发明专利技术能够在任意阵型甚至未知阵型的情况下进行高精度的方位估计，不会出现某些方向的信号被严重削弱甚至完全屏蔽的现象。此外具有更低的可处理信噪比门限。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种水声探测及水声定位方法，具体涉及一种声矢量阵的方位估计方法。
技术介绍
声场兼具有标量场和矢量场，其中声压提供了标量信息，振速提供了矢量信息，该矢量方向与声波的传播方向一致。矢量水听器由声压水听器和振速水听器组合而成，能够同时拾取声场中的声压与振速信息，相较于传统的声压水听器阵列，矢量水听器阵列获得了更多的信息，因而能够提供更大的处理空间。国内外学者对基于声矢量阵的方位估计应用进行了大量的研究。文献[I], Malcolm Hawkes和 Arye Nehorai(Acoustic Vector-sensor Corrections in AmbientNoise.1EEE J.0ceanic Eng, 2001，26(3):337-347.)对各向同性噪声场中的声压与振速的相关特性进行了探讨，并给出了声压与振速相关系数的计算公式。文献[2]白兴宇等(一种新的声矢量阵远程ESPRIT方位估计算法.哈尔滨工程大学学报，2006，27(6):891?895.)、文献[3](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.声学学报，2008, 33(1):56?61.)提出将声矢量阵的声压振速互协方差矩阵应用于方位估计中，将声矢量阵的抗各向同性噪声能力与高分辨方位估计算法结合在一起，取得了较好的效果。但该方法的振速分量具有空间滤波效果，可能导致感兴趣的信号被屏蔽掉。文献[4]张揽月等(矢量阵的非空间ESPRIT算法.哈尔滨工程大学学报，2009，30 (4):406?410.)利用声矢量阵的声压与振速传感器阵列之间的旋转不变性，能够在未知阵列流形的情况下对目标进行方位估计，但该方法未利用声压与振速通道噪声的不相关特性，估计精度还有待提闻。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种能够用于任意阵型甚至未知阵型声矢量阵列，并且结合了声矢量阵抗各向同性噪声能力，精度高的。本专利技术的目的是这样实现的:(I)对二维矢量水听器阵列的接收信号进行窄带滤波，获得待处理频点上的窄带输出信号；(2)将二维矢量水听器阵列相互正交的两个振速分量在复数域进行线性组合，转换为两个新的振速输出分量，即构造复数域双振速分量；(3)采用最大似然估计求出一定数量采样快拍下的声压及复数域双振速分量的互协方差矩阵对，即构造出基于广义声能流的声压振速互协方差矩阵对；(4)应用矩阵束的ESPRIT算法计算基于广义声能流的声压振速互协方差矩阵对之间的旋转不变因子，从而进行方位估计。本专利技术还可以包括:1.所述的构造复数域双振速分量具体包括:将y方向的振速输出分量'与复数单位j相乘，再与X方向的振速输出分量Vx相加获得新的振速输出分量V1 ;将I方向的振速输出分量Vy与负的复数单位_j相乘，再与X方向的振速输出分量Vx相加获得新的振速输出分量v2。V1和V2构成了复数域双振速分量，它们依然携带了振速场的方向信息，并且具有全向的接收能力，是对常规振速分量的一种改进。2.所述的构造出基于广义声能流的声压振速互协方差矩阵对具体包括:将一定采样快拍数量的声压传感器阵列的输出分别与两个新的复数域振速输出分量的共轭转置相乘，并求其平均值，得到基于广义声能流的互协方差矩阵对R1和R2。3.所述的基于广义声能流的ESPRIT算法，其思想是:求解上述所得的声压振速协方差矩阵对的非零广义特征值，从而给出目标的方位估计结果。为了避免在求解非零广义特征值的过程中出现潜在的数值困难，所述应用矩阵束的ESPRIT算法计算基于广义声能流的声压振速互协方差矩阵对之间的旋转不变因子中采用奇异值分解(SVD)和总体最小二乘法(TLS)将一个较大维数的病态最小二乘问题转化为一个较小维数的非病态总体最小二乘问题。本专利技术的优点体主要体现在:(I)常规声矢量阵的ESPRIT算法采用数据的自相关矩阵进行特征分解，即使在理想情况下，其信号子空间中仍然存在噪声。对于声矢量阵，当阵元间距满足声压与振速的噪声相关半径时，声压与振速分量之间的噪声是不相关的，本专利技术采用声压与振速的互协方差矩阵，充分利用了声压与振速噪声场的不相关特性，具有良好的抗各向同性噪声能力；(2)常规的振速输出分量以及基于Givess旋转的组合振速输出都具有空间指向性，对不同方向的入射信号具有不同的幅值加权，尤其是从观测方向的正交方向入射的信号会被完全屏蔽掉。本专利技术对振速输出分量做了改进，对各方向的入射信号都具有相同的幅度响应，能够完整接收到从各方向入射的信号；(3)本专利技术所构造的振速输出分量之间具有旋转不变性，其对应的旋转因子仅与信号的入射方向有关，而与阵列的空间位置无关，应用ESPRIT算法能够实现在任意阵型甚至未知阵型的情况下进行高精度的方位估计。【附图说明】图1为各向同性噪声场中声压振速的空间相关函数曲线；图2为给出的一组不规则阵型声矢量阵位置示意图；图3为本专利技术的实现框图；图4(a)-图4(e)为单目标信号从30°方向入射时声压、振速以及复数域双振速通道输出频谱，其中:图4(a)声压通道频谱，图4(b)振速通道Vx频谱，图4(C)振速通道Vy频谱，图4 (d)振速通道V1频谱，图4 (e)振速通道V2频谱；图5(a)-图5(e)为双目标信号分别从30°、40°方向入射时声压、振速以及复数域双振速通道输出频谱，其中:图5 (a)声压通道频谱，图5 (b)振速通道Vx频谱，图5 (C)振速通道Vy频谱，图5 (d)振速通道V1频谱，图5 (e)振速通道V2频谱；图6为单目标方位估计均方根误差曲线；图7为双目标方位估计均方根误差曲线；图8 (a)-图8 (e)为信号从y轴方向入射时声压、振速以及复数域双振速通道输出频谱，其中:图8 (a)声压通道频谱，图8 (b)振速通道Vx频谱，图8 (C)振速通道Vy频谱，图8 (d)振速通道V1频谱，图8 (e)振速通道V2频谱；图9(a)-图9(b)为从y轴附近方向入射的信号的方位估计结果，图9 (a)是采用常规振速输出分量的方位估计结果，图9(b)是采用复数域双振速分量的方位估计结果。【具体实施方式】下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步具体说明:1.计算步骤1.1.阵列输出模型假设N元二维声矢量阵的第i个阵元位置的极坐标为Qri, a J，i=l, 2，…，N, D个中心频率为ω的窄带远场平面波入射到基阵上，其中第k个信号的入射方向为0k，则阵列的输出信号可记为:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种声矢量阵高精度远程方位估计方法，其特征是：(1)对二维矢量水听器阵列的接收信号进行窄带滤波，获得待处理频点上的窄带输出信号；(2)将二维矢量水听器阵列相互正交的两个振速分量在复数域进行线性组合，转换为两个新的振速输出分量，即构造复数域双振速分量；(3)采用最大似然估计求出一定数量采样快拍下的声压及复数域双振速分量的互协方差矩阵对，即构造出基于广义声能流的声压振速互协方差矩阵对；(4)应用矩阵束的ESPRIT算法计算基于广义声能流的声压振速互协方差矩阵对之间的旋转不变因子，从而进行方位估计。

【技术特征摘要】
1.一种声矢量阵高精度远程方位估计方法，其特征是: (1)对二维矢量水听器阵列的接收信号进行窄带滤波，获得待处理频点上的窄带输出信号; (2)将二维矢量水听器阵列相互正交的两个振速分量在复数域进行线性组合，转换为两个新的振速输出分量，即构造复数域双振速分量； (3)采用最大似然估计求出一定数量采样快拍下的声压及复数域双振速分量的互协方差矩阵对，即构造出基于广义声能流的声压振速互协方差矩阵对； (4)应用矩阵束的ESPRIT算法计算基于广义声能流的声压振速互协方差矩阵对之间的旋转不变因子，从而进行方位估计。2.根据权利要求1所述的声矢量阵高精度远程方位估计方法，其特征是所述的构造复数域双振速分量具体包括:将y方向的振速输出分量Vy与复数单位j相乘，再与χ方向的振速输出分量vx相加获得新的振速输出分量V1 ;将y方向的振速输出分量vy与负的复数单位_j相乘，再与χ方向的振速输出分量Vx相加获得新的振速输...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁国龙，范展，陶凯，王燕，王逸林，张光普，付进，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：