[发明专利]L型声矢量传感器阵列ESPRIT解相干参数估计方法

摘要

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。

主权项

1.L型声矢量传感器阵列ESPRIT解相干参数估计方法，其特征在于：所述声矢量传感器阵列由2M‑1个均匀分布x轴和y轴的声矢量传感器构成，其中M个阵元沿x轴均匀排列阵元间隔为d_x，M个阵元沿y轴均匀排列，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，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；L型声矢量传感器阵列解相干参数估计方法的步骤如下：均匀L型声矢量传感器阵列接收K个相干窄带、平稳远场声源信号，步骤一、L型均匀声矢量传感器接收阵列，接收K个远场窄带相干信号，接收阵列获取N次同步采样数据Z；步骤二、抽取声压和x、y、z三个坐标轴的声速四个子阵对应的子阵数据Z_p、Z_x、Z_y、Z_z，通过子阵级数据协方差矩阵处理恢复数据协方差矩阵的秩，得到变换前的满秩数据协方差矩阵R_Z；根据阵列数据Z的排布规律将数据分成声压以及x轴、y轴和z轴方向振速四个子阵数据，计算4个子阵数据的协方差矩阵和其中，通过4个子阵数据协方差矩阵的算术平均得到变换前的满秩数据协方差矩阵R_Z；步骤三、对子阵数据进行变换，求变换后的满秩数据协方差矩阵R_Y和变换前后的满秩数据协方差矩阵R_ZY，由R_Z、R_Y和R_ZY得到解相干后总数据协方差矩阵R，从而恢复信号协方差矩阵的秩；对子阵数据Z_p、Z_x、Z_y、Z_z进行变换其中，J_M是M×M的反对角变换矩阵，J_l，M‑l+1＝1(l＝1，…，M)是J_M的第l行第M‑l+1列的元素，J_M的其它元素全部为零，表示对子阵数据Z_p、Z_x、Z_y、Z_z取共轭后的数据，求变换后子阵数据Y_p、Y_x、Y_y、Y_z的数据协方差矩阵其中求变换前后数据的互协方差矩阵：Q_p、Q_x、Q_y、Q_z，其中，变换后子阵协方差矩阵的算术平均得到变换后满秩数据协方差矩阵变换前后子阵数据的互协方差矩阵求算术平均得到变换前后的满秩数据协方差矩阵R_ZY＝(Q_p+Q_x+Q_y+Q_z)/4，构造解相干总数据协方差矩阵R＝[R_ZY R_Z R_Y]；步骤四、由解相干后总数据协方差矩阵R进行奇异值分解得到信号子空间U_s，根据阵列的结构特点，将信号子空间进行分块，利用分块后的信号子空间分别在x、y方向利用ESPRIT估计旋转不变关系矩阵和根据阵列数据的排布规律，将信号子空间U_s进行分块运算，信号子空间U_s分成x轴子阵对应的信号子空间U_sx和y轴子阵对应的子空间U_sy，U_sx分成x轴子阵的前M‑1个阵元对应的信号子空间U_sx1和后M‑1个阵元对应的信号子空间U_sx2，U_sy分成y轴子阵的前M‑1个阵元对应的信号子空间U_sy1和后M‑1个阵元对应的信号子空间U_sy2，x轴上的两个均匀子阵满足的平移不变关系为U_sx1＝A_x1T₁，U_sx2＝A_x2T₁，A_x2＝A_x1Φ_x，其中，T₁是K×K的非奇异变换矩阵，是旋转不变关系矩阵，其中，λ_k表示第k个信号的波长，θ_k表示第k个信号的俯仰角，φ_k表示第k个信号的方位角，U_sy1＝A_y1T₂，U_sy2＝A_y2T₂，A_y2＝A_y1Φ_y，其中，T₂是K×K的非奇异变换矩阵，是旋转不变关系矩阵且对进行特征分解，特征值构成旋转不变关系矩阵Φ_y的估计对进行特征分解，特征值构成旋转不变关系矩阵Φ_x的估计其中步骤五、利用旋转不变关系矩阵的估计值和估计x轴方向余弦矩阵和y轴方向余弦矩阵其中利用配对后的方向余弦和得到到达角的估计值和因为x轴和y轴方向的旋转不变关系矩阵和是由两次独立的特征分解得到的，所以和估计x轴方向余弦矩阵和y轴方向的方向余弦矩阵中信号的排列顺序不同，必须进行配对运算才能使同一个信号的x轴方向余弦和y轴方向的方向余弦匹配成对，根据同一个信号x轴方向余弦和y轴方向的方向余弦构成的阵列导向矢量位于信号子空间，因此有其中，u_kx表示第k个信号x轴方向的方向余弦，u_ky表示第k个信号y轴方向的方向余弦，u_ix表示第i个信号x轴方向的方向余弦，利用这种方式对第k个y轴方向余弦与所有的x轴方向余弦进行组合，根据表达式最大的原则找到的u_ix和u_ky配对成功，此时的从而可以得到到达角的估计值：前述步骤中的k＝1，...，K，i＝1，...，K。