本發(fā)明具體涉及一種單只矢量水聽(tīng)器各通道幅度增益不一致時(shí)的修正方法。

背景技術(shù)：

與聲壓水聽(tīng)器相比，矢量水聽(tīng)器具有三個(gè)通道，分別為聲壓p通道、振速vx通道、振速vy通道，因此矢量水聽(tīng)器可以同時(shí)、共點(diǎn)測(cè)量聲場(chǎng)的聲壓與振速，獲得更多的聲場(chǎng)信息，依靠單個(gè)矢量水聽(tīng)器就可以完成水下目標(biāo)的方位估計(jì)，且不存在多值模糊的問(wèn)題。但是，單只矢量水聽(tīng)器方位估計(jì)的性能?chē)?yán)重依賴(lài)于良好的通道特性和外部環(huán)境。當(dāng)單只矢量水聽(tīng)器的聲壓和振速通道的幅度和相位特性基本一致時(shí)，單只矢量水聽(tīng)器可以正確反映聲壓和振速的信息，進(jìn)而進(jìn)行高分辨方位估計(jì)；但是，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，由于傳感器敏感元件的差異、硬件放大電路構(gòu)造的差異、安裝的差異以及傳輸信道的不同等原因，單只矢量水聽(tīng)器的聲壓和振速通道的幅度和相位特性很難做到嚴(yán)格一致。因此研究單只矢量水聽(tīng)器通道的幅相誤差給方位估計(jì)帶來(lái)的影響十分必要。

為了解決單只矢量水聽(tīng)器通道幅相特性不一致導(dǎo)致空間譜的譜峰變寬，甚至出現(xiàn)“偽峰”的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種單只矢量水聽(tīng)器各通道幅度增益不一致時(shí)的修正方法。本發(fā)明方法通過(guò)最優(yōu)搜索，實(shí)現(xiàn)對(duì)單只矢量水聽(tīng)器各通道幅度增益一致性的修正，解決了單只矢量水聽(tīng)器各通道幅度增益不一致條件下，信號(hào)方位估計(jì)精度低、存在“偽峰”等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了單只矢量水聽(tīng)器各通道幅度增益不一致時(shí)的方位估計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種單只矢量水聽(tīng)器各通道幅度增益不一致時(shí)的修正方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

步驟S1：用常規(guī)的MVDR方法及MUSIC方法對(duì)單矢量水聽(tīng)器接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行方位估計(jì)；

步驟S2：確定Vx通道及Vy通道修正因子的搜索范圍；

步驟S3：設(shè)定修正因子，并用其對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以修正后信號(hào)歸一化MUSIC譜的取值范圍為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)搜索，確定最優(yōu)修正因子；

步驟S4：用最優(yōu)修正因子對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行修正并進(jìn)行方位估計(jì)；

本發(fā)明的核心技術(shù)在于根據(jù)常規(guī)MVDR及MUSIC方法方位估計(jì)得到的結(jié)果，對(duì)比分析可判斷各通道幅度增益相對(duì)大小，從而確定Vx通道及Vy通道修正因子的搜索范圍；并以修正因子修正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行方位估計(jì)得到的歸一化MUSIC譜的取值范圍為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)搜索，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)取最大值時(shí)，對(duì)應(yīng)的修正因子即為最優(yōu)修正因子，由最優(yōu)修正因子修正后的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)單只矢量水聽(tīng)器各通道幅度增益不一致時(shí)的方位估計(jì)。

本發(fā)明的有益效果在于：與目前存在的常規(guī)的單只矢量水聽(tīng)器目標(biāo)方位估計(jì)方法相比，本發(fā)明在單只矢量水聽(tīng)器各個(gè)通道幅度增益不一致的條件下，可通過(guò)修正因子對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，解決了單只矢量水聽(tīng)器各通道幅度增益不一致條件下，信號(hào)方位估計(jì)精度低、存在“偽峰”等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了單只矢量水聽(tīng)器各通道幅度增益不一致時(shí)的方位估計(jì)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的方法流程圖。

圖2為通道幅度增益不一致時(shí)常規(guī)MVDR及MUSIC方法估計(jì)結(jié)果。

圖3為常規(guī)方法與本文方法對(duì)單目標(biāo)方位估計(jì)結(jié)果

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述：

本發(fā)明提供的是一種單只矢量水聽(tīng)器各通道幅度增益不一致時(shí)的修正算法。首先，用MVDR算法(即最小方差無(wú)失真響應(yīng)方位估計(jì)器)及MUSIC算法(即多重信號(hào)分類(lèi)算法)對(duì)單矢量水聽(tīng)器接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行方位估計(jì)；其次，根據(jù)常規(guī)MVDR算法及MUSIC算法方位估計(jì)得到的結(jié)果判斷各通道幅度增益相對(duì)大小，確定Vx通道及Vy通道修正因子的搜索范圍；再次，設(shè)定修正因子，并用其對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以修正后信號(hào)歸一化MUSIC譜的取值范圍為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)搜索，目標(biāo)函數(shù)取最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的修正因子即為最優(yōu)修正因子；最后，用最優(yōu)修正因子對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行修正并進(jìn)行方位估計(jì)。本發(fā)明方法通過(guò)最優(yōu)搜索，實(shí)現(xiàn)對(duì)單只矢量水聽(tīng)器各通道幅度增益一致性的修正，解決了單只矢量水聽(tīng)器各通道幅度增益不一致條件下，信號(hào)方位估計(jì)精度低、存在“偽峰”等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了單只矢量水聽(tīng)器各通道幅度增益不一致時(shí)的方位估計(jì)。

步驟S1：用常規(guī)的MVDR方法及MUSIC方法對(duì)單矢量水聽(tīng)器接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行方位估計(jì)。當(dāng)單只矢量水聽(tīng)器各通道幅度增益不一致時(shí)，通道幅度誤差可以通過(guò)在單只矢量水聽(tīng)器接收數(shù)據(jù)模型中引入與方位無(wú)關(guān)的通道幅度增益對(duì)角陣來(lái)描述，其數(shù)據(jù)模型如下：

X(t)＝Γ(A(θ)x(t)+N(t))

式中:Γ是通道的幅度增益對(duì)角陣。θ為入射聲波的水平方位角；A(θ)是單只矢量水聽(tīng)器陣列流型；x(t)為傳感器接收的聲壓波形；N(t)為噪聲數(shù)據(jù)矢量。假定Γ滿(mǎn)足:

Γ＝diag(η_p,η_x,η_y)

式中：η_x,η_y,η_p分別是3個(gè)通道的幅度增益系數(shù)。由于此處幅度增益為實(shí)數(shù)，所以此時(shí)的接收數(shù)據(jù)模型為：

求其協(xié)方差矩陣為：

R₁＝E{XX^H}＝ΓRΓ^H

式中：H表示共軛轉(zhuǎn)置，E{·}表示集合平均，R為理想接收數(shù)據(jù)模型的協(xié)方差矩陣，注意到R₁與R是酉相似矩陣，R₁的逆矩陣為：

R₁'＝(ΓRΓ^H)'＝(Γ^H)'R'Γ'

對(duì)R₁進(jìn)行特征分解有：

式中：V_S＝ΓU_S；V_N＝ΓU_N，U_S是由大的特征值對(duì)應(yīng)的特征矢量張成的子空間，即信號(hào)子空間，而U_N是由小的特征值對(duì)應(yīng)的特征矢量張成的子空間，即噪聲子空間。則此時(shí)得到單只矢量水聽(tīng)器各通道幅度增益不一致時(shí)的MVDR譜與MUSIC譜分別為：

對(duì)上面的兩個(gè)式子進(jìn)行峰值搜索，其峰值對(duì)應(yīng)的方位即為估計(jì)到的目標(biāo)方位。由上面兩式可知，當(dāng)單只矢量水聽(tīng)器各通道幅度增益不一致時(shí)，將會(huì)對(duì)單只矢量水聽(tīng)器目標(biāo)方位估計(jì)結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重影響。圖2給出了η_x，η_y，η_p不同取值情況下，對(duì)MVDR、MUSIC方法方位估計(jì)結(jié)果的影響。其中，信號(hào)頻率為f＝3000Hz，采樣頻率為f_s＝30000Hz，入射角度為θ＝100°，所加噪聲為零均值的高斯白噪聲，信噪比為SNR＝20dB。

步驟S2：根據(jù)步驟S1得到的常規(guī)MVDR及MUSIC目標(biāo)方位估計(jì)結(jié)果，以理論分析為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)比分析確定Vx通道及Vy通道修正因子的搜索范圍

步驟S3：確定修正后信號(hào)歸一化MUSIC譜的取值范圍為目標(biāo)函數(shù)，并進(jìn)行最優(yōu)搜索。具體的說(shuō)就是我們定義目標(biāo)函數(shù)為修正后信號(hào)歸一化MUSIC譜的取值范圍：

式中：為由修正因子修正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行MUSIC譜估計(jì)得到的歸一化MUSIC譜。

然后，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)搜索，從而確定最優(yōu)修正因子的取值。具體地說(shuō)就是通過(guò)最優(yōu)搜索，找到目標(biāo)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的修正因子和具體步驟如下：

(1)設(shè)置初始修正因子根據(jù)初始修正因子修正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行MUSIC譜估計(jì)，進(jìn)而求出初始修正因子條件下的目標(biāo)函數(shù)值，定義該目標(biāo)函數(shù)值為最大值，并將初始修正因子值定義為最優(yōu)修正因子，即

(2)重置修正因子求出在新的修正因子條件下的目標(biāo)函數(shù)

(3)比較f_max和f_new的大小，將其中大的一個(gè)定義為新的目標(biāo)函數(shù)的最大值，并將其對(duì)應(yīng)的修正因子定義為新的最優(yōu)修正因子，即：

f_max＝max(f_max、f_new)

<k_x、k_y>＝<k_x、k_y>|max(f_max、f_new)

(4)重復(fù)步驟(2)、(3)，直到將搜索范圍內(nèi)的所有參數(shù)全部搜索完畢，此時(shí)得到的k_x、k_y即為最優(yōu)修正因子。

步驟S4：用步驟S3中所得最優(yōu)修正因子k_x、k_y對(duì)單只矢量水聽(tīng)器接收數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，并對(duì)修正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行方位估計(jì)，最終得到單只矢量水聽(tīng)器各通道幅度增益不一致時(shí)的目標(biāo)方位估計(jì)。

本發(fā)明性能設(shè)計(jì)實(shí)例：

單目標(biāo)方位估計(jì)的仿真實(shí)例

單只矢量水聽(tīng)器方位估計(jì)，入射信號(hào)頻率為f＝3000Hz，采樣頻率為f_s＝30000Hz，入射角度為θ＝100°，所加噪聲為零均值的高斯白噪聲，信噪比為SNR＝20dB。當(dāng)單只矢量水聽(tīng)器各通道幅度增益分別為：η_p＝0.1，η_x＝η_y＝1，的特殊情況時(shí)，常規(guī)的MVDR、MUSIC譜估計(jì)方法與本發(fā)明所提出的修正的MVDR、MUSIC方法得到的方位估計(jì)結(jié)果如圖3所示。

如圖3所示的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)單只矢量水聽(tīng)器各通道幅度增益不一致時(shí)，常規(guī)的MVDR方法和MUSIC方法目標(biāo)分辨性能惡化，且有時(shí)產(chǎn)生偽峰。修正后的MVDR方法和MUSIC方法仍具有較高的目標(biāo)分辨性能，且不存在偽峰。