[发明专利]声矢量阵高精度远程方位估计方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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[1],Malcolm Hawkes和Arye Nehorai(Acoustic Vector-sensor Corrections in Ambient Noise.IEEE J.Oceanic 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，估计精度还有待提高。

发明内容

本发明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，精度高的声矢量阵高精度远程方位估计方法。

本发明的目的是这样实现的：

(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。

本发明还可以包括：

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v_y与复数单位j相乘，再与x方向的振速输出分量v_x相加获得新的振速输出分量v₁；将y方向的振速输出分量v_y与负的复数单位-j相乘，再与x方向的振速输出分量v_x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。