[发明专利]基于矢量奇异值分解的声矢量圆阵宽带相干源方位估计方法

摘要

本发明提供的是基于矢量奇异值分解的声矢量圆阵宽带相干源方位估计方法。利用子带分解原理，得到各个子带的频域信号；将声矢量圆阵频域信号转换为模态域频域信号；采用声压与振速联合处理方式构建互协方差矩阵，通过求和平均实现宽带接收信号的互协方差矩阵估计；对互协方差矩阵进行特征值分解，寻找最大特征值对应的特征向量构建重构矩阵，增加反向平滑项得到修正重构矩阵，并进行奇异值分解获得信号子空间及噪声子空间；利用MUSIC算法实现声矢量圆阵宽带相干目标方位估计。本发明具有更强的抑制噪声能力，且在低信噪比情况比矢量奇异值分解方法和前后向空间平滑具有更强的空间分辨能力。在水下宽带目标远程探测方面具有较高的优越性。

主权项

1.一种基于矢量奇异值分解的声矢量圆阵宽带相干源方位估计方法，其特征是：(1)利用子带分解，得到各个子带的声压通道的频域信号P_e(f_j)、径向振速通道的频域信号V_er(f_j)、切向振速通道的频域信号f_j为频率；(2)构建声压的模式空间变换矩阵T_p(f_j)、径向振速的模式空间变换矩阵T_vr(f_j)、切向振速的模式空间变换矩阵将频域信号变换为模态域声压通道的频域信号P(f_j)、模态域径向振速通道的频域信号V_r(f_j)、模态域切向振速通道的频域信号(3)采用声压P与振速联合处理方式构建每个子带的互协方差矩阵，通过求和平均实现声矢量圆阵宽带接收信号的互协方差矩阵估计，V_r为径向振速、为切向振速；(4)采用修正矢量奇异值方法，即将步骤(3)中所述的互协方差矩阵进行特征值分解，寻找最大特征值对应的特征矢量e₁；并利用所述特征矢量e₁构建重构矩阵Y；然后，增加反向平滑项J_d×dY^*J_c×c得到修正重构矩阵R；R为非方阵，对修正重构矩阵R进行奇异值分解，获得修正重构矩阵的信号子空间和噪声子空间，J_d×d、J_c×c分别为d×d、c×c的反对角矩阵；(5)采用MUSIC算法得到空间谱，根据谱峰位置输出相干目标方位；步骤(2)具体包括：所述声压的模式空间变换矩阵T_p(f_j)、径向振速的模式空间变换矩阵T_vr(f_j)、切向振速的模式空间变换矩阵表示为：其中，J_p(f_j)＝diag[i^‑NJ_N(k_jr),…,iⁿJ_n(k_jr),…,i^NJ_N(k_jr)]是声压通道对应的由贝塞尔函数组成的矩阵，是振速通道对应的由贝塞尔函数组成的矩阵，是振速通道对应的由贝塞尔函数组成的矩阵，J_n(k_jr)为第一类n阶贝塞尔函数，J'_n(k_jr)为J_n(k_jr)对r的导数，diag[·]表示对角矩阵，ρ为流体密度，k_j＝2πf_j/c表示波数，c表示声速，k_max＝2πf_max/c为信号上限频率f_max对应的波数，‑N≤n≤N，为圆阵可激发的最大相位模态数、为向下取整符号，i表示虚数单位；F＝[w_‑N,w_‑N+1,…w_n,…,w_N]第n列计算公式为w_n＝[1,e^i2πn/M,…,e^{i2πn(M‑1)/M}]^T；(·)^H表示(·)的共轭转置运算，(·)^‑1为求逆运算，M为阵元个数；所述模态域声压通道的频域信号P(f_j)、模态域径向振速通道的频域信号V_r(f_j)、模态域切向振速通道的频域信号如下：