[发明专利]声矢量传感器二维阵列MUSIC解相干参数估计方法

摘要

声矢量传感器二维阵列MUSIC解相干参数估计方法，阵列接收K个远场窄带相干信号，利用接收阵列获取所有阵元输出的N次快拍数据；抽取声压和x、y、z轴声速四个子阵数据，由变换前数据协方差矩阵、数据变换后协方差矩阵和变换前后的互协方差矩阵构造解相干后的数据协方差矩阵；对解相干后的数据协方差矩阵进行奇异值分解得到噪声子空间，根据L型阵列的特点将噪声子空间分成x轴和y轴噪声子空间，并构造对应的MUSIC空间谱，通过两个一维搜索方向余弦估计矩阵；利用全阵列对应的噪声子空间对x轴和y轴方向的方向余弦估计值进行配对运算，从而得到到达角的估计值；该方法将一个二维搜索分成两个一维搜索，大大降低了计算量，提高了参数估计精度。

主权项

1.声矢量传感器二维阵列MUSIC解相干参数估计方法，其特征在于：所述阵列由2M‑1个声矢量传感器构成非均匀L型阵列，其中M个声矢量传感器位于x轴，M个声矢量传感器位于y轴，坐标原点的声矢量传感器两轴共用，所述阵列的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；相邻阵元间距小于等于λ_min/2，λ_min为入射声波信号的最小波长；二维阵列MUSIC解相干参数估计方法的步骤如下：非均匀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、非均匀L型声矢量传感器阵列作为接收阵列，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数据，通过子阵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Z_p、Z_x、Z_y和Z_z，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、对子阵接收数据进行变换，求变换后的协方差数据矩阵R_Y和变换前后的互协方差数据矩阵R_ZY，由矩阵R_Z、R_Y和R_ZY得到解相干后的总数据协方差矩阵R，从而恢复数据协方差矩阵的秩；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_i，M‑i+1＝1(i＝1，…，M)是J_M的第i行第M‑i+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，变换后协方差矩阵的算术平均得到变换后阵列协方差矩阵R_Y，变换前后数据的互协方差矩阵求算术平均得到变换后数据互协方差矩阵R_ZY，R_ZY＝(Q_p+Q_x+Q_y+Q_z)/4，构造解相干后的总数据协方差矩阵R＝[R_ZY R_Z R_Y]；步骤四、由解相干后的数据协方差矩阵R进行奇异值分解得到信号子空间U_s和噪声子空间U_n；根据L阵的结构特点将噪声子空间U_n进行分块，分成x轴和y轴子阵对应的噪声子空间U_nx和U_ny，构造x轴和y轴噪声子空间对应的MUSIC空间谱P(u_x)和P(u_y)，通过两个一维搜索估计得到x轴和y轴方向的方向余弦的估计矩阵和其中，u_x＝sinθcosφ和u_y＝sinθsinφ分别是x轴和y轴方向的方向余弦，θ∈[0，π/2]是搜索俯仰角，φ∈[0，2π]是搜索方位角，分别是x轴和y轴的谱峰对应的方向余弦矩阵；步骤五、利用全阵列对应的噪声子空间U_n构造MUSIC谱，对x轴和y轴方向的方向余弦估计矩阵和进行配对运算，利用配对后的方向余弦和得到到达角的估计值和因为两次搜索是独立进行的，和的对应元素不一定对应同一个信号，当和的对应元素不对应同一个信号时，无法进行到达角的估计，必须进行配对运算，根据配对成功的导向矢量垂直于噪声子空间从而有最高的谱峰的原理进行配对；为MUSIC谱函数，对于的第k个元素与中的每一个元素进行组合，利用MUSIC谱函数最大的方法在找到与匹配的元素从而实现了第k个信号x轴方向余弦和y轴方向的方向余弦的配对，于是到达角的估计值为：前述步骤中的k＝1，...，K，l＝1，...，K。