[发明专利]一种基于声矢量二维嵌套阵列的目标测向方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于声矢量二维嵌套阵列的目标测向方法，用于水下目标的方位和俯仰测量。

背景技术

声矢量传感器是由2个或3个相互正交的振速传感器和1个可选择的压力传感器共点配置而成。与传统的标量阵相比，声矢量阵能够获得目标信号的更多信息，具有更高的测向精度和分辨率，近十几年已成为国内外学者研究的热点。但是与标量阵一样，在基于二阶统计量的测向算法中，声学矢量阵列测量的信号数必须小于阵元数。为进一步扩大天线阵所测信号数和提高测向精度，常采用四阶累积量构造虚拟阵元，来提高阵列的自由度和扩大阵列的孔径。然而，四阶累积量的计算量随标量传感器个数指数增长，这对于声矢量阵更为不利，因为它的标量传感器个数是阵元个数的3-4倍，这使得声学矢量阵输出信号的四阶累积量的计算量更为庞大，难以应用于实时处理。

针对这个问题，PiyaPal和P.P.Vaidyanathan提出了一种嵌套标量线阵，它通过系统嵌套两个或多个阵元间距不同的标量均匀线阵来获得。这种阵列的优势在于能够利用接收数据的自相关矩阵形成自由度为O(N²)的差合成标量线阵，而仅仅使用N个物理阵元。此外，为充分利用这些自由度，他们还建议了一种基于1维空间平滑的DOA估计算法，该算法并不是把空间平滑应用于去除信号的相关性，而是利用空间平滑算法构造特殊的四阶累积量矩阵，形成差合成线阵接收信号的自相关矩阵的平方，经开方后得到差合成线阵接收信号的自相关矩阵，从而把四阶累积量构造虚拟阵的问题简化为二阶累积量构造虚拟阵的问题，这无疑极大的减少了计算量。随后，他们又将该方法扩展到二维，利用两个二维标量子阵构造二维嵌套标量阵，其中一个子阵的阵元分布于密集格子，另一个分布于稀疏格子，且两个子阵选择自由，只要它们的生成矩阵由一个整数矩阵相关联，同时该整数矩阵选择也无限制条件。类似地，利用二维空间平滑算法，得到阵元数为O(MN)的二维差合成标量阵的自相关矩阵，而仅采用M+N个物理阵元。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于声矢量二维嵌套阵列的目标测向方法。

本发明技术方案的实施步骤如下：

步骤1，采用声矢量传感器构建一个声矢量二维嵌套阵列，所述声矢量二维嵌套阵列包括两个二维声矢量子阵；

步骤2，输入包含目标声音信号的D个独立窄带远场声音信号，输入的声音信号基于不同的方位角和俯仰角入射到步骤1所述的声矢量二维嵌套阵列，得到声矢量二维嵌套阵列的输出信号；

步骤3，将声矢量二维嵌套阵列输出信号进行自相关，得到自相关矩阵；

步骤4，对自相关矩阵进行向量化，得到向量z；

步骤5，从向量z中抽取相应行，形成列向量z₁；

步骤6，对向量z₁所对应的差合成声矢量阵进行划分；

步骤7，基于步骤6的划分抽取列向量z₁中相应行，得到新的向量；

步骤8，根据步骤7得到的向量，得到互相关矩阵；

步骤9，对所有差合成声矢量子阵接收目标声音信号的互相关矩阵进行计算，得到矩阵

步骤10，将多重信号分类MUSIC算法应用于矩阵进行目标方位角和俯仰角的估计，完成目标侧向；

步骤11，回到步骤2继续开始接收信号进行测向。

其中，步骤1中所述两个二维声矢量子阵包括稀疏子阵和密集子阵；

稀疏子阵，包含2M₁M₂个声矢量传感器，并按Mm定位于稀疏格子，其中Μ＝diag{M₁,M₂}为2×2维的对角矩阵，M₁和M₂为任意正整数，m为2×1维的整数向量，取所有可能整数值；