聲矢量傳感器二維陣列MUSIC解相干參數估計方法技術

聲矢量傳感器二維陣列MUSIC解相干參數估計方法，陣列接收K個遠場窄帶相干信號，利用接收陣列獲取所有陣元輸出的N次快拍數據；抽取聲壓和x、y、z軸聲速四個子陣數據，由變換前數據協方差矩陣、數據變換后協方差矩陣和變換前后的互協方差矩陣構造解相干后的數據協方差矩陣；對解相干后的數據協方差矩陣進行奇異值分解得到噪聲子空間，根據L型陣列的特點將噪聲子空間分成x軸和y軸噪聲子空間，并構造對應的MUSIC空間譜，通過兩個一維搜索方向余弦估計矩陣；利用全陣列對應的噪聲子空間對x軸和y軸方向的方向余弦估計值進行配對運算，從而得到到達角的估計值；該方法將一個二維搜索分成兩個一維搜索，大大降低了計算量，提高了參數估計精度。

Acoustic vector sensor two-dimensional array MUSIC coherence parameter estimation method

Estimation method of coherent parameter solution of acoustic vector sensor array two-dimensional array MUSIC, K far field narrowband coherent signals, using N single snapshot data receiving array for all array element outputs; extraction pressure and X, y, Z axis velocity of four sub array data, by the transformation before and after the data covariance matrix, the covariance matrix of data transformation and the transformation of the covariance matrix of the data covariance matrix after coherent solution construction; the data covariance matrix is obtained after decorrelation noise subspace decomposition of singular value, according to the characteristics of L array to the noise subspace is divided into x and Y axes noise subspace, and construct the corresponding MUSIC spatial spectrum, through the two dimension the search direction cosine matrix estimation; the array corresponding to the noise subspace of X axis and Y axis direction cosine estimates of pairing computation to obtain the angle of arrival In this method, a two-dimensional search is divided into two one-dimensional searches, which greatly reduces the computational complexity and improves the accuracy of parameter estimation.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于信號處理
，尤其涉及一種聲矢量傳感器陣列的相干源二維到達角估計方法。
技術介紹
在實際信息傳輸過程中，由于多徑反射以及人為干擾，相關信號源已成為普遍現象，空間存在強相關或相干信號的情況下，以MUSIC為代表的子空間類方法失效。空域角度估計會產生很大的誤差，甚至不能估計出信號的到達角，相干信源波達方向估計的研究是信號處理的重要研究課題。以空間平滑為代表的解相干方法減小了陣列孔徑，增大了陣列的波束寬度，降低了陣列的分辨能力。且空間平滑一般只適用于均勻線陣，嚴重限制了方法的應用范圍。聲矢量傳感器是一種新型的聲源信號測向設備，它是由三個相互正交的質點振速傳感器和一個聲壓傳感器構成，因而能夠同步測量聲場中某處的聲壓強度和質點振速。聲矢量傳感器陣列與標量傳感器陣列相比較，聲矢量傳感器陣列不僅能夠獲取陣列孔徑信息，而且蘊含矢量傳感器各分量之間的正交信息，因而具有更高的空間分辨力和測向精度，近年來已成為國內外學者研究的熱點問題。現有的方法主要是針對一維均勻線陣的一維參數估計方法，對于二維到達角估計方法研究很少，且往往非常復雜，吳小強發表的論文“基于ESPRIT算法的二維DOA估計方法研究”(哈爾濱工程大學2008年碩士學位論文)中研究了改進的二維ESPRIT算法和基于四階累計量處理和空時處理的二維ESPRIT算法，該方法具有一定的解相干能力，但該方法需要構造非常復雜的矩陣，且后續算法也非常復雜；本專利技術針對現有方法的不足提出了非均勻L型聲矢量傳感器陣列解相干MUSIC方法，該方法充分利用了聲矢量傳感器陣列自身的旋轉不變特性解相干，稱為旋轉解相干的方法。并利用變換前后互協方差矩陣聯合解相干，利用解相干后數據協方差矩陣獲取噪聲子空間，通過矩陣塊運算將信號子空間分為x軸噪聲子空間塊和y軸噪聲子空間塊，對每個噪聲子空間構造MUSIC譜，通過兩個一維搜索完成x軸和y軸方向余弦的估計，然后利用全陣列的噪聲子空間對兩個方向余弦進行配對運算得到到達角的估計，該方法將二維到達角的二維搜索分成兩個一維搜索，大大降低了計算量。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種解相干二維MUSIC參數估計方法。為了實現上述目的，本專利技術采取如下的技術解決方案：聲矢量傳感器二維陣列MUSIC解相干參數估計方法，K個相干窄帶、平穩遠場聲源信號從不同的方向(θk，φk)入射到該接收陣列上，θk∈[0，π/2]是第k個信號的俯仰角，φk∈[0，2π]是第k個信號的方位角，所述陣列由2M-1個聲矢量傳感器構成非均勻L型陣列，其中M個聲矢量傳感器位于x軸，M個聲矢量傳感器位于y軸，坐標原點的聲矢量傳感器兩軸共用，所述陣元是具有空間共點同步測量聲壓以及x軸、y軸和z軸方向振速分量的聲矢量傳感器，所有傳感器的對應通道相互平行：所有的聲壓傳感器相互平行，所有的x軸方向振速傳感器相互平行，所有的y軸方向振速傳感器相互平行，以及所有的z軸方向振速傳感器相互平行；相鄰陣元間距小于等于λmin/2，λmin為入射聲波信號的最小波長；二維陣列MUSIC解相干參數估計方法步驟如下：步驟一、非均勻L型聲矢量傳感器陣列作為接收陣列，接收K個遠場窄帶相干信號，接收陣列輸出N次同步采樣數據Z；步驟二、抽取聲壓和x、y、z三個坐標軸的聲速四個子陣對應的數據，通過子陣數據協方差矩陣處理恢復數據協方差矩陣的秩，得到變換前的數據協方差矩陣RZ；根據陣列數據Z的排布規律將數據分成聲壓以及x軸、y軸和z軸方向振速四個子陣數據Zp、Zx、Zy和Zz，計算4個子陣數據的協方差矩陣和其中，通過4個子陣數據協方差矩陣的算術平均得到變換前的滿秩數據協方差矩陣RZ；步驟三、對子陣接收數據進行變換，求變換后的協方差數據矩陣RY和變換前后的互協方差數據矩陣RZY，由矩陣RZ、RY和RZY得到解相干后的總數據協方差矩陣R，從而恢復數據協方差矩陣的秩；對子陣數據Zp、Zx、Zy、Zz進行變換其中，JM是M×M的反對角變換矩陣，ji，M-i+1＝1(i＝1，...，M)是JM的第i行第M-i+1列的元素，JM的其它元素全部為零，表示對子陣數據Zp、Zx、Zy、Zz取共軛后的數據，求變換后子陣數據Yp、Yx、Yy、Yz的數據協方差矩陣其中，求變換前后數據的互協方差矩陣：Qp、Qx、Qy、Qz，其中，變換后協方差矩陣的算術平均得到變換后數據協方差矩陣RY，變換前后數據的互協方差矩陣求算術平均得到變換后數據互協方差矩陣RZY，RZY＝(Qp+Qx+Qy+Qz)/4，構造解相干后的總數據協方差矩陣R＝[RZYRZRY]；步驟四、由解相干后的數據協方差矩陣R進行奇異值分解得到信號子空間Us和噪聲子空間Un；根據L陣的結構特點將噪聲子空間Un進行分塊，分成x軸和y軸子陣對應的噪聲子空間Unx和Uny，構造x軸和y軸噪聲子空間對應的MUSIC空間譜P(ux)和P(uy)，通過兩個一維譜峰搜索得到x軸和y軸方向的方向余弦的估計矩陣和其中，ux＝sinθcosφ和uy＝sinθsinφ分別是x軸和y軸方向的方向余弦，θ∈[0，π/2]是搜索俯仰角，φ∈[0，2π]是搜索方位角，分別是x軸和y軸的譜峰對應的方向余弦矩陣；步驟五、利用全陣列對應的噪聲子空間Un構造MUSIC譜，對x軸和y軸方向的方向余弦估計矩陣和進行配對運算，利用配對后的方向余弦和得到到達角的估計值和因為兩次搜索是獨立進行的，和的對應元素不一定對應同一個信號，當和的對應元素不對應同一個信號時，無法進行到達角的估計，必須進行配對運算，根據配對成功的導向矢量垂直于噪聲子空間從而有最高的譜峰的原理進行配對；為MUSIC譜函數，對于的第k個元素與中的每一個元素進行組合，利用MUSIC譜函數最大的方法在找到與匹配的元素從而實現了第k個信號x軸方向余弦和y軸方向的方向余弦的配對，于是到達角的估計值為：前述步驟中的k＝1，...，K，l＝1，...，K。本專利技術采用的非均勻L型陣列，陣列的陣元為由聲壓傳感器和x軸、y軸及z軸方向的振速傳感器構成的聲矢量傳感器，并且所有的聲壓傳感器相互平行，所有的x軸方向振速傳感器相互平行，所有的y軸方向振速傳感器相互平行，所有的z軸方向振速傳感器相互平行。本專利技術方法充分利用聲矢量傳感器陣列自身的矢量結構特性，提出了基于子陣旋轉不變特性的解相干方法，突破了現有的空域平滑解相干方法的局限性，將現有的基于一維均勻線陣的到達角估計方法推廣到了二維非均勻陣列的二維到達角估計，并利用L型陣列的結構特點將二維MUSIC譜峰搜索分解為兩個一維MUSIC譜峰搜索，并通過簡單的配對運算完成到達角的估計，該方法在不降低參數估計精度的前提下大大降低了計算量。附圖說明為了更清楚地說明本專利技術實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中需要使用的附圖做簡單介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本專利技術的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本專利技術實施例聲矢量傳感器陣列的示意圖；圖2為本專利技術方法的流程圖；圖3為本專利技術方法基于俯仰角方向的MUSIC空間譜曲線圖；圖4為空間平滑解相干方法基于俯仰角方向的MUSIC空間譜曲線圖；圖5為本專利技術方法基于方位角方向的MUSIC空間譜曲線圖本文檔來自技高網...

【技術保護點】
聲矢量傳感器二維陣列MUSIC解相干參數估計方法，其特征在于：所述陣列由2M?1個聲矢量傳感器構成非均勻L型陣列，其中M個聲矢量傳感器位于x軸，M個聲矢量傳感器位于y軸，坐標原點的聲矢量傳感器兩軸共用，所述陣元是具有空間共點同步測量聲壓以及x軸、y軸和z軸方向振速分量的聲矢量傳感器，所有傳感器的對應通道相互平行：所有的聲壓傳感器相互平行，所有的x軸方向振速傳感器相互平行，所有的y軸方向振速傳感器相互平行，以及所有的z軸方向振速傳感器相互平行；相鄰陣元間距小于等于λmin/2，λmin為入射聲波信號的最小波長；二維陣列MUSIC解相干參數估計方法的步驟如下：非均勻L型聲矢量傳感器陣列接收K個相干窄帶、平穩遠場聲源信號，步驟一、非均勻L型聲矢量傳感器陣列作為接收陣列，接收K個遠場窄帶相干信號，接收陣列輸出N次同步采樣數據Z；步驟二、抽取聲壓和x、y、z三個坐標軸的聲速四個子陣對應的數據，通過子陣數據協方差矩陣處理恢復數據協方差矩陣的秩，得到變換前的數據協方差矩陣RZ；根據陣列數據Z的排布規律將數據分成聲壓以及x軸、y軸和z軸方向振速四個子陣數據Zp、Zx、Zy和Zz，計算4個子陣數據的協方差矩陣和其中，通過4個子陣數據協方差矩陣的算術平均得到變換前的滿秩數據協方差矩陣RZ；步驟三、對子陣接收數據進行變換，求變換后的協方差數據矩陣RY和變換前后的互協方差數據矩陣RZY，由矩陣RZ、RY和RZY得到解相干后的總數據協方差矩陣R，從而恢復數據協方差矩陣的秩；對子陣數據Zp、Zx、Zy、Zz進行變換其中，JM是M×M的反對角變換矩陣，ji，M?i+1＝1(i＝1，…，M)是JM的第i行第M?i+1列的元素，JM的其它元素全部為零，表示對子陣數據Zp、Zx、Zy、Zz取共軛后的數據，求變換后子陣數據Yp、Yx、Yy、Yz的數據協方差矩陣其中，求變換前后數據的互協方差矩陣：Qp、Qx、Qy、Qz，其中，變換后協方差矩陣的算術平均得到變換后陣列協方差矩陣RY，變換前后數據的互協方差矩陣求算術平均得到變換后數據互協方差矩陣RZY，構造解相干后的總數據協方差矩陣R＝[RZY?RZ?RY]；步驟四、由解相干后的數據協方差矩陣R進行奇異值分解得到信號子空間Us和噪聲子空間Un；根據L陣的結構特點將噪聲子空間Un進行分塊，分成x軸和y軸子陣對應的噪聲子空間Unx和Uny，構造x軸和y軸噪聲子空間對應的MUSIC空間譜P(ux)和P(uy)，通過兩個一維搜索估計得到x軸和y軸方向的方向余弦的估計矩陣和其中，ux＝sinθcosφ和uy＝sinθsinφ分別是x軸和y軸方向的方向余弦，θ∈[0，π/2]是搜索俯仰角，φ∈[0，2π]是搜索方位角，分別是x軸和y軸的譜峰對應的方向余弦矩陣；步驟五、利用全陣列對應的噪聲子空間Un構造MUSIC譜，對x軸和y軸方向的方向余弦估計矩陣和進行配對運算，利用配對后的方向余弦和得到到達角的估計值和因為兩次搜索是獨立進行的，和的對應元素不一定對應同一個信號，當和的對應元素不對應同一個信號時，無法進行到達角的估計，必須進行配對運算，根據配對成功的導向矢量垂直于噪聲子空間從而有最高的譜峰的原理進行配對；為MUSIC譜函數，對于的第k個元素與中的每一個元素進行組合，利用MUSIC譜函數最大的方法在找到與匹配的元素從而實現了第k個信號x軸方向余弦和y軸方向的方向余弦的配對，于是到達角的估計值為：θ^k=arcsin(u^kx,opt2+u^ky,opt2),]]>φ^k=arctan(u^ky,optukx,opt),u^kx,opt≥0π+arctan(u^ky,optukx,opt),u^kx,opt<0;]]>前述步驟中的k＝1，...，K，l＝1，...，K。...

【技術特征摘要】
1.聲矢量傳感器二維陣列MUSIC解相干參數估計方法，其特征在于：所述陣列由2M-1個聲矢量傳感器構成非均勻L型陣列，其中M個聲矢量傳感器位于x軸，M個聲矢量傳感器位于y軸，坐標原點的聲矢量傳感器兩軸共用，所述陣元是具有空間共點同步測量聲壓以及x軸、y軸和z軸方向振速分量的聲矢量傳感器，所有傳感器的對應通道相互平行：所有的聲壓傳感器相互平行，所有的x軸方向振速傳感器相互平行，所有的y軸方向振速傳感器相互平行，以及所有的z軸方向振速傳感器相互平行；相鄰陣元間距小于等于λmin/2，λmin為入射聲波信號的最小波長；二維陣列MUSIC解相干參數估計方法的步驟如下：非均勻L型聲矢量傳感器陣列接收K個相干窄帶、平穩遠場聲源信號，步驟一、非均勻L型聲矢量傳感器陣列作為接收陣列，接收K個遠場窄帶相干信號，接收陣列輸出N次同步采樣數據Z；步驟二、抽取聲壓和x、y、z三個坐標軸的聲速四個子陣對應的數據，通過子陣數據協方差矩陣處理恢復數據協方差矩陣的秩，得到變換前的數據協方差矩陣RZ；根據陣列數據Z的排布規律將數據分成聲壓以及x軸、y軸和z軸方向振速四個子陣數據Zp、Zx、Zy和Zz，計算4個子陣數據的協方差矩陣和其中，通過4個子陣數據協方差矩陣的算術平均得到變換前的滿秩數據協方差矩陣RZ；步驟三、對子陣接收數據進行變換，求變換后的協方差數據矩陣RY和變換前后的互協方差數據矩陣RZY，由矩陣RZ、RY和RZY得到解相干后的總數據協方差矩陣R，從而恢復數據協方差矩陣的秩；對子陣數據Zp、Zx、Zy、Zz進行變換其中，JM是M×M的反對角變換矩陣，ji，M-i+1＝1(i＝1，…，M)是JM的第i行第M-i+1列的元素，JM的其它元素全部為零，表示對子陣數據Zp、Zx、Zy、Zz取共軛后的數據，求變換后子陣數據Yp、Yx、Yy、Yz的數據協方差矩陣其中，求變換前后數據的互協方差矩陣：...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王蘭美，廖桂生，孫長征，劉聰鋒，代少玉，張艷艷，
申請(專利權)人：西安電子科技大學，
類型：發明
國別省市：陜西;61