[发明专利]基于相位模态理论的高阶声场传感器阵列的方位估计方法

说明书

本发明涉及一种基于相位模态理论的高阶声场传感器阵列的方位估计方法，属于信号处理、水声测量领域。采用基于相位模态理论的高阶声场传感器作为阵元，利用每个阵元的多维输出搭建长矢量及张量信号模型，分别使用MUSIC和张量MUSIC进行DOA估计。相较于矢量传感器，阵元的物理结构较为简单，而且可以通过增加声压传感器数目来获取更高阶的信号。相较于矢量水听器阵列，高阶声场传感器阵列对多目标有更好的分辨能力，而且在成功分辨的情况下有更小的均方误差。

技术领域

本发明属于信号处理、水声测量领域，具体涉及一种基于相位模态理论的高阶声场传感器阵列，利用相位模态分解(Phase mode decomposition,PMD)提取每个高阶声场传感器的相位模态信号并构建信号模型，用相应方法完成的目标方位估计(Direction ofarrival,DOA)。

背景技术

声呐系统通过传感器阵列接收水下声场信息，然后利用信号处理算法实现潜艇等水下目标的探测和相关参数的估计。随着科技的进步，潜艇的隐蔽性越来越好，如何最大限度地提高我国新型声呐对安静型潜艇等水下目标的探测能力，已经成为一项十分迫切的任务。传统声呐的尺寸和性能之间的矛盾越来越突出，如何在低信噪比条件下实现对目标有效的估计和识别是现在需要解决的一个重要的问题。想要基于主流的声压传感器单从处理算法优化上获得较大的突破比较困难，而高阶声场传感器可以同步获取空间内同一位置的高阶声场信息，为解决这类问题提供了一种新的思路。

目前能够获取到的声场高阶信息主要有两种，一种是利用矢量传感器直接测量得到的声压、振速和振速梯度(王笑.高阶矢量水听器阵列信号处理[D].哈尔滨工程大学硕士学位论文.2018)，另一种是利用声压圆环阵或球面阵通过模态分解得到的多阶模态(Teutsch H.Modal Array Signal Processing:Principles and Applications ofAcoustic Wavefield Decomposition[M].Berlin Heidelberg:Springer-Verlag.2007)。对于矢量水听器，已有的技术最高能实现二阶信息即振速梯度的获取，且二阶传感器技术仍未成熟，而圆环阵多阶模态的最高阶数虽受限于采样定理，但在一定条件下可以通过阵元数的调整获得比矢量水听器更多的高阶信息，且有更容易实现的物理结构。在矢量阵的信号处理中，有长矢量及张量信号模型及相应的DOA估计算法(Forster P.,GinolhacG.and Boizard M.Derivation of the theoretical performance of a Tensor MUSICalgorithm.Signal Processing 129(12):97-105.2016.)，除了均匀直线阵(uniformline array,ULA)，矢量嵌套阵属于稀疏阵的一种，可以用较少的阵元通过特定的排布方式实现阵列孔径的扩展，从而提高方位分辨性能(Han K.and Nehorai A.Nested Vector-Sensor Array Processing via Tensor Modeling.IEEE Transactions on SignalProcessing 62(10):2542-2553.2014.)。

目前针对相位模态分解展开的研究多局限于单个圆环阵，且研究重点多在于指向性性能，几乎没有将其看作一个阵元组成阵列进行处理的研究，这未能充分发挥多阶模态的优势。本发明将建立以圆环阵列为阵元结构的高阶声场传感器阵列的信号模型，并借鉴矢量阵相关算法对适用于高阶声场传感器阵列的DOA估计方法进行研究，以充分发挥其性能优势。

发明内容

要解决的技术问题

为了提高阵列的方位估计性能，本发明提出一种基于相位模态理论的高阶声场传感器阵列的方位估计方法，采用基于相位模态理论的高阶声场传感器作为阵元，利用每个阵元的多维输出搭建长矢量及张量信号模型，分别使用MUSIC和张量MUSIC进行DOA估计，可以发现其DOA估计性能优于矢量阵。

技术方案