[发明专利]基于稀疏谱拟合的水下声源位置及功率谱联合估计方法

摘要

本发明涉及一种基于稀疏谱拟合的水下声源位置及功率谱联合估计方法，针对由各向同性声压水听器组成的垂直线列阵，提出一种基于稀疏谱拟合(Sparse Spectral Fitting，SpSF)的水下声源位置及功率谱密度(Power Spectral Density，PSD)联合估计方法。该方法利用试验水域中声源位置的稀疏性，将试验水域网格化，建立稀疏信号恢复模型，并推导了采样协方差矩阵和辐射噪声PSD之间的关系，最后利用SpSF方法同时估计出声源的位置和辐射噪声的PSD。

主权项

1.一种基于稀疏谱拟合的水下声源位置及功率谱联合估计方法，其特征在于：采用阵元间距为设计中心频率对应半波长的M元垂直线列阵，估计方法步骤如下：步骤1：在目标声源不存在时，测量试验水域的环境噪声，通过对接收的环境噪声进行功率谱分析，求得环境噪声的功率谱密度，将频率f上的PSD表示为σ²；以海面上指向目标的水平方向为X轴、垂直阵所在直线为Z轴建立坐标系，水面以下为正方向，则声源位置表示为p＝(r,d)，其中r和d分别为目标到基阵的水平距离和目标的深度；当试验水域存在目标声源时，基阵接收到快拍数为N的时域信号，对其进行傅里叶变换，则基阵接收信号在频域表示为：y(f)＝h(p,f)s(f)+n(f)式中，为基阵在频域的接收数据；s(f)为目标辐射噪声信号；为环境噪声；为位于p处声源到基阵上各阵元的声场传递函数；步骤2：将包含目标的水域在深度和距离上离散化，各网格点位置表示为g_k，k＝1，2，…，K，式中K为网格点数目，且K＞＞M；通过试验水域的声学参数和声学仿真软件AcTUP v2.2L中的Scooter&Fields模型计算各网格点到基阵的声场传递函数h(g_k，f)，k＝1，2，…，K，并构造矩阵：设目标声源的位置p∈{g₁ … g_K}，定义一个信号矩阵：x(f)＝[x₁(f) … x_K(f)]^T式中：(*)^T表示转置，当g_k＝p时，对应的信号x_k(f)＝s(f)，否则x_k(f)＝0；基阵接收信号的稀疏表示为：y(f)＝Φ(G，f)x(f)+n(f)；步骤3：接收信号的协方差矩阵为：式中，(*)^H表示共轭转置；其对角线元素为不同位置声源的PSD；所述为位于g_k处信号的PSD，构造向量：由于试验中仅存在一个目标，则接收信号的协方差矩阵向量化为：所述其中：vec(*)表示矩阵的行拉直向量；所述其中：所述利用稀疏谱拟合方法估计目标的位置和辐射噪声的PSD：s.t.min(P)≥0式中，||*||₁和||*||₂分别表示向量的1范数和2范数；min(*)表示向量中最小项；β为正则化参数；将得到的向量P按照网格位置组成距离‑深度二维功率谱图，其中最大值位置即表示声源所在的位置，最大值即为辐射噪声在频率f上的PSD。