[发明专利]L型声矢量传感器阵列ESPRIT解相干参数估计方法

说明书

L型声矢量传感器阵列ESPRIT解相干参数估计方法，阵列接收K个远场窄带相干信号，接收阵列输出N次同步采样数据；抽取声压和x、y、z三个坐标轴的声速四个子阵数据，计算子阵数据协方差矩阵、变换后子阵协方差数据矩阵和变换前后的互协方差数据矩阵，分别由协方差数据矩阵算术平均得到解相干后的协方差数据矩阵，由解相干后的三个协方差矩阵构造总的解相干数据协方差矩阵，最后对解相干后的总数据协方差矩阵奇异值分解得到信号子空间，根据阵列结构特点将信号子空间分块，分别在x、y方向利用旋转不变关系估计x和y轴方向的方向余弦，利用全阵列信号子空间进行参数配对，由配对后的方向余弦得到到达角估计，本方明方法参数配对简单，计算量低。

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及一种声矢量传感器阵列的相干源二维到达角估计方法。

背景技术

由于实际环境日益复杂性，在实际环境中相关或是相干信号是普遍存在的，如信号传输过程中的多径现象，以及在战争中敌方有意设置的干扰等。在实际情况下，很难会只有一个信号的情况，当多个信号同时存在时，这些信号可以是不相关的、相关的或者相干的，当入射信号是相干信号时，信号子空间的维数将小于信号源个数，信号子空间扩散到了噪声子空间，从而导致信号子空间和噪声子空间不完全垂直，以MUSIC为代表的子空间类方法将失效，无法进行方向估计。对于非相干信号的参数估计，理论已经比较完善，但强相关或相干信号源的检测与估计仍然是信号参数估计中的一个十分棘手的问题。以ESPRIT和MUSIC为代表的子空间类方法的因为分辨率高而倍受青睐，但一般的ESPRIT方法无法直接应用于相干信号的参数估计中，而基于空间平滑的二维ESPRIT方法通过修正接收数据的协方差矩阵来实现解相干的目的，但空间平滑方法减小了阵列孔径，降低了阵列的分辨能力，且空间平滑一般只适用于均匀线阵，严重限制了方法的应用范围。声矢量传感器是一种新型的声源信号测向设备，它是由三个相互正交的质点振速传感器和一个声压传感器构成，因而能够同步测量声场中某处的声压强度和质点振速。声矢量传感器阵列与标量传感器阵列相比较，声矢量传感器阵列不仅能够获取阵列孔径信息，而且蕴含矢量传感器各分量之间的正交信息，因而具有更高的空间分辨力和测向精度，近年来已成为国内外学者研究的热点问题。本发明针对现有方法的不足提出了适用于均匀L型声矢量传感器阵列解相干ESPRIT方法，利用了声矢量传感器阵列自身的矢量结构特性，将声矢量传感器阵列分成声压子阵、x轴振速子阵、y轴振速子阵和z轴振速子阵，然后根据子阵的旋转不变特性解相干，这种解相干称为空间旋转解相干方法，对数据协方差矩阵特征分解，在x和y轴方向分别利用ESPRIT方法估计得到x和y轴方向的方向余弦，通过配对得到信号到达角的估计。

发明内容

本发明的目的是提供一种L型声矢量传感器阵列ESPRIT解相干参数估计方法。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

L型声矢量传感器阵列ESPRIT解相干参数估计方法，K个相干窄带、平稳远场声源信号从不同的方向(θ_k，φ_k)入射到该接收阵列上，θ_k∈[0，π/2]是第k个信号的俯仰角，φ_k∈[0，2π]是第k个信号的方位角，所述阵列由2M-1个均匀分布于x轴和y轴的声矢量传感器构成，其中，M个阵元沿x轴均匀排列且阵元间隔为d_x，M个阵元沿y轴均匀排列且阵元间隔为d_y，坐标原点的两轴共用，所述阵元是具有空间共点同步测量声压以及x轴、y轴和z轴方向振速分量的声矢量传感器，所有传感器的对应通道相互平行：所有的声压传感器相互平行，所有的x轴方向振速传感器相互平行，所有的y轴方向振速传感器相互平行，以及所有的z轴方向振速传感器相互平行；相邻阵元间距d_x≤λ_min/2，d_y≤λ_min/2，λ_min为入射声波信号的最小波长；

ESPRIT解相干二维参数估计方法步骤如下：