[发明专利]一种声矢量圆阵稳健宽带MVDR方位估计方法

说明书

技术领域

本发明属于声矢量通信领域，具体涉及一种声矢量圆阵稳健宽带MVDR方位估计方法。

背景技术

矢量传感器可以空间共点同步拾取声场的声压和质点振速的三个正交分量，利用振速分量可在全空间对声源进行无模糊定向，同时，声压和振速联合信号处理技术具有良好的抗噪能力。基于以上特点，矢量传感器在实际工程中得到了广泛应用，基于矢量传感器阵列(简称为矢量阵)的信号处理方法也成为信号处理领域中一个比较活跃的研究方向。

著名学者Nechorai将矢量传感器纳入经典的水声信号处理框架，将矢量传感器的振速分量作为独立的阵元信息来处理(Arye Nehorai,Eytan Paldi.Acoustic vector-sensor array processing.IEEE Trans.Signal Processing,1994,42(9):2481-2491.)。Nehorai教授的研究对矢量阵列信号处理的影响深远，至今大部分的矢量阵信号处理方法均是以该理论框架为基础建立和发展起来的。

矢量阵处理技术在均匀线阵上已经得到广泛应用，常规波束形成和高分辨率算法都被应用到矢量阵上，如：矢量阵常规波束形成器以及Capon方位估计等(Malcolm Hawkes,Arye Nehorai.Acoustic vector-sensor beamforming and Capon direction estimation.IEEE,New Haven:Department of Electrical Engineering,1995:1673-1676)。但和声矢量线阵方位估计方法丰硕的研究成果相比，有关声矢量圆阵的研究却鲜见报道。圆阵在声呐系统中有着比较广泛的应用，比如现代艇艏声呐系统多采用圆柱形或球形声呐基阵，航空吊放声呐也皆采用圆柱形声呐基阵。声矢量圆阵的方位估计问题成为研究热点，未来具有广阔的应用前景。杨德森等人为了实现矢量传感器在圆阵阵型下的应用，提出了一种适合于声矢量圆阵的目标方位估计算法，但目前仅能解决单频声源的方位估计问题(杨德森，朱中锐，时胜国等.声矢量圆阵相位模态域目标方位估计.声学学报.2014.39(1):19-26.以及杨德森，朱中锐，时胜国.矢量圆阵测向方法.哈尔滨工程大学学报.2012.33(10):1259-1264)。

与单频窄带信号处理方法相比，宽带信号处理方法具有更大的复杂性，总体可分为相干处理和非相干处理，相干宽带MVDR(最小方差无畸变响应，Minimum Variance Distortionless Response)处理可对相干声源具有较强的适应能力，同时具有较高的分辨率和背景起伏抑制能力(张德明，郭良浩，张仁和.基于聚焦变换的宽带信号方位稳健估计.声学学报.2005.30(4):303-308.以及时洁，杨德森.矢量阵相干宽带MVDR聚焦波束形成.系统仿真学报.2010.22(2):473-477.)。但以上方法的重要缺点是在阵型失配或小快拍数条件下出现明显的性能下降。尽管目前用以改进MVDR波束形成稳健性的方法很多，典型算法包括：线性约束 最小方差波束形成，基于对角加载的波束形成，以及基于特征子空间的波束形成等，但仍未有适用于声矢量圆阵的稳健性方法。

基于此，本发明提供了一种适用于声矢量圆阵的具有高稳健性的宽带MVDR方位估计方法。第一、针对声矢量圆阵的阵型结构特点，构造不同子频带矢量阵导向矢量以及参考频率矢量阵聚焦导向矢量，利用导向矢量聚焦变换，对相干声源具有较强的适用性；第二、与声压阵处理相比，矢量阵处理可明显压制旁瓣起伏并提高分辨率，并实现全方位角无模糊估计；第三、对矢量阵聚焦导向矢量进行稳健性约束优化，提高宽带MVDR方位估计方法在阵型失配及小快拍数条件下的稳健性，可在保证高分辨性能的同时具有较强的背景起伏抑制能力。可满足基于声矢量圆阵的稳健方位估计应用需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高估计效率，简化估计流程的声矢量圆阵稳健宽带MVDR方位估计方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)将二维矢量圆阵接收的声压数据x_p以及振速数据x_vx和x_vy，进行子频带分解，分别生成声压、vx振速和vy振速的宽带频域信号矩阵和得到矢量阵的宽带频域快拍数据矩阵X_j(f_k)，