[发明专利]近场源L型声矢量传感器阵列解模糊多参数估计方法

摘要

近场源L型声矢量传感器阵列解模糊多参数估计方法，阵列接收K个不同频率窄带、独立平稳近场信号，全阵列接收数据z通过相关运算得到延时前后以及全数据的阵列导向矢量估计值和由时延矩阵估计值得到频率估计值将导向矢量分成x轴、y轴、z轴振速分量和声压强度子阵导向矢量，根据子阵导向矢量的旋转不变关系和得到到达角的粗略估计值以及距离的粗略估计值利用方位角和俯仰角和距离的粗略估计值确定x轴和y轴相位差矩阵周期模糊数估计矢量和从而得到入射信号的方位角、俯仰角和距离的精确估计值；本发明方法充分利用了声矢量传感器本身固有的正交性和阵列的孔径信息进行参数估计，给出参数估计的闭式解，不需要谱峰搜索，计算量小。

主权项

1.近场源L型声矢量传感器阵列解模糊多参数估计方法，其特征在于：所述声矢量传感器阵列由M个等间隔布置于x轴上的阵元和M个等间隔布置于y轴上的阵元构成，坐标原点上的阵元两轴共用，阵元数量为2M‑1个，x轴上阵元间的间距为d_x，y轴上阵元间的间距为d_y，所述阵元为由声压传感器及x轴、y轴和z轴方向的振速传感器组成的声矢量传感器，阵元间隔与入射声波信号的波长和声源的距离之间满足近场条件，且d_x＞λ_min/4，d_y＞λ_min/4，λ_min为入射声波信号的最小波长；多参数估计方法的步骤如下：阵列接收K个不同频率的互不相关、窄带、随机平稳近场声波入射信号，步骤一、获取t时刻和t+ΔT时刻的接收信号矢量x₁(t)和x₂(t)，N次同步采样得到接收数据矩阵Z₁和Z₂；将分布于L型阵列的2M‑1个声矢量传感器阵元构成接收天线阵列接收空间近场辐射源信号，通过模数采样模块在t时刻和t+ΔT时刻得到t时刻和t+ΔT时刻的接收信号矢量x₁(t)和x₂(t)，延时时间ΔT小于奈奎斯特采样周期，分别N次同步采样得到(8M‑4)×N接收数据矩阵Z₁和Z₂，并存储在系统内存中；t时刻和t+ΔT时刻的接收数据矩阵为x₁(t)＝B₁S(t)+N₁(t)和x₂(t)＝B₂S(t)+N₂(t)，S(t)为入射信号声压强度矢量，B₂是延时ΔT后信号阵列导向矢量，B₂＝B₁Φ，是延时矩阵，其中，diag(·)表示以行矩阵中的元素为对角线元素的对角矩阵，f_k为第k个信号的频率，N₁(t)和N₂(t)分别是t时刻和t+ΔT时刻附加的高斯噪声；矩阵是阵列导向矢量，为克罗内克积，b_k＝[v_xk，v_yk，v_zk，p_k]^T为第k个信号的振速分量和声压强度标量构成的矢量，v_xk＝sinθ_kcosφ_k，v_yk＝sinθ_ksinφ_k及v_zk＝cosθ_k分别是近场源信号在声矢量传感器x轴，y轴及z轴方向的振速分量，是近场源信号在声压传感器的测量分量，ρ₀是环境流体密度，c是声的传播速度，exp(·)表示以e为幂的指数运算，arctan(·)表示求反正切运算，λ_k为第k个信号的波长，r_k为第k个信号与坐标原点阵元之间的距离；q_k＝[1 q_yk q_xk]^T是第k个近场入射信号的阵列空域导向矢量，是x轴上除原点以外的M‑1个传感器与原点处传感器之间的相位差构成的空域导向矢量，是y轴上除原点以外的M‑1个传感器与原点处传感器之间的相位差构成的空域导向矢量，Ψ_mx，k＝(u_kxm+v_kxm²)是第k个信号在x轴的第m个阵元和参考阵元间的相位差，Ψ_ny，k＝(u_kyn+v_kyn²)是第k个信号在y轴的第n个阵元和参考阵元间的相位差，且v_kx＝πd²(1‑sin²θ_kcos²φ_k)/λ_kr_k，u_kx＝‑2π(dsinθ_kcosφ_k)/λ_k，v_ky＝πd²(1‑sin²θ_ksin²φ_k)/λ_kr_k，u_ky＝‑2π(dsinθ_ksinφ_k)/λ_k，θ_k表示第k个信号的俯仰角，φ_k是第k个信号的方位角，其中，0≤θ_k≤π/2，0≤φ_k≤2π；步骤二、将两组数据Z₁和Z₂构成全阵列接收数据Z，通过相关运算得到阵列导向矢量的估计值延时ΔT后的阵列导向矢量估计值和全数据阵列导向矢量估计值所述的求解阵列导向矢量的估计值按如下步骤进行：1)将两组接收数据矢量Z₁和Z₂构成全阵列接收数据是全数据阵列导向矢量，N是全数据阵列噪声，S为入射信号声压强度采样后矩阵；2)对矩阵Z进行操作获得自相关矩阵R_z＝ZZ^H/N＝BR_sB^H+σ²I，其中R_s＝SS^H/N为入射信号相关矩阵，[·]^H为矩阵的转置复共轭操作，σ²为高斯白噪声的功率，I为单位矩阵；3)对自相关矩阵R_z进行特征分解得到16M‑8个特征值和16M‑8个特征值所对应的特征矢量，取K个大特征值所对应的特征矢量组成信号子空间E_s，根据子空间原理，存在K×K的非奇异矩阵T满足E_s＝BT，E_s的前8M‑4行元素组成信号子空间矩阵E₁，E_s的后8M‑4行元素组成信号子空间矩阵E₂，是矩阵E₁的伪逆矩阵；4)对矩阵进行特征分解，K个大特征值构成延时矩阵Φ的估计值特征矢量构成矩阵T的估计进而得到阵列导向矢量的估计值和延时ΔT后的阵列导向矢量估计值及全数据阵列导向矢量估计值步骤三、由延时矩阵Φ的估计值得到声波信号的频率估计值将阵列导向矢量的估计值分成x轴、y轴、z轴振速分量和声压强度子阵导向矢量，根据子阵导向矢量的旋转不变关系矩阵和得到方位角的粗略估计值俯仰角的粗略估计值以及声波信号距离的粗略估计值由延时矩阵Φ的估计值得到声波信号的频率估计值为arg(·)表示取相位，是的第k列k行元素；对阵列导向矢量的估计值进行分块处理其中，和分别是由2M‑1个x轴、y轴、z轴振速分量和声压强度分量组成的子阵导向矢量，和是子阵间的旋转不变关系估计矩阵，和其中由旋转不变关系矩阵和可得俯仰角的粗略估计值和方位角的粗略估计值由旋转不变关系矩阵为得到距离的粗略估计值其中，tan(·)表示求正切运算，和分别是矩阵和的第k列k行元素；步骤四、利用步骤三得到的方位角、俯仰角和距离的粗略估计值确定L型阵列x轴和y轴方向相邻阵元间的相位差矩阵和的相位周期模糊数矢量估计值和根据得到的相位周期模糊数矢量估计值和消除二维到达角的模糊，利用相位差矩阵和和相位周期模糊数矢量估计值和求出入射信号的方位角、俯仰角和距离的精确估计值；所述的求解x轴和y轴方向相邻阵元间的相位差矩阵和的相位周期模糊数矢量估计值和按如下步骤进行：(1)L型阵列x轴和y轴方向阵列空域导向矢量和的具有周期模糊相位差矩阵和和为x轴和y轴方向相邻阵元间的相位差估计矩阵，其中，和分别表示矢量和的第1到第M‑1个元素，和分别表示矢量和的第2到第M个元素，表示矢量与的对应元素相除，表示矢量与的对应元素相除；(2)L型阵列x轴和y轴方向相邻阵元间的相位差粗略估计矩阵和其中，W＝2πd[W₁ W₂]/λ_k，W₁＝[1⁰，…，(2m‑3)⁰，…，(2M‑3)⁰]^T，W₂＝d[1，…，(2m‑3)，…，(2M‑3)]^T，其中，1⁰表示1的零次方，(2m‑3)⁰表示2m‑3的零次方，(2M‑3)⁰表示2M‑3的零次方；(3)通过求解下述优化问题可得到矩阵和的相位周期模糊数矢量估计值：所述的求解入射信号的方位角和俯仰角的精确估计值，按如下步骤进行：(a)根据相位周期模糊数矢量估计值和得到相位精确估计矢量和其中，和是信源的俯仰角、方位角和距离的精确估计值；(b)根据相位精确估计矢量和估计x轴和y轴方向的精确无模糊的俯仰角估计值方位角估计值和距离估计其中，和分别表示矩阵的第1个和第2个元素，和分别表示矩阵的第1个和第2个元素；前述步骤中的k＝1，…，K，m＝1，…，M，n＝1，…，M，j是虚数单位。