本發(fā)明屬于信號處理技術領域，尤其涉及一種聲矢量傳感器陣列的相干源到達角估計方法。

背景技術：

在實際中由于信號傳輸過程的多徑現(xiàn)象和回波信號以及人為干擾，使得相關信號源非常普遍，所以基于相關源的檢測和估計是信號處理的重要研究課題。當入射信號相互獨立時子空間類方法有很好的參數(shù)估計性能，但是如果入射的信號是相干信號以music為代表的子空間類算法將失效。當入射信號是相干信號時，信號子空間的維數(shù)將小于信號源個數(shù)，信號子空間擴散到了噪聲子空間，從而導致信號子空間和噪聲子空間不完全垂直，從而導致子空間類算法失效，無法進行方向估計。

為使相干信源doa估計中的上述難題得到有效的解決，國內外學者提出了一系列的解相干方法，這些方法的關鍵是如何恢復信號協(xié)方差矩陣的秩。目前解相干的方法大致可以分為兩類，一類是以空間平滑和矩陣重構法為代表的降維方法，一類是以聚焦和虛擬變換法為代表的非降維方法，這些方法解決了信號相關問題但仍有一定的局限性和不足，以聚焦處理為代表的非降維算法的計算復雜度高；以空間平滑為代表的降維方法減小了陣列孔徑，增大了陣列的波束寬度，降低了參數(shù)估計精度。且空間平滑一般只適用于均勻陣，嚴重限制了方法的應用范圍。聲矢量傳感器是一種新型的聲源信號測向設備，它是由三個相互正交的質點振速傳感器和一個聲壓傳感器構成，因而能夠空間共點同步測量聲場中某處的聲壓強度和質點振速。聲矢量傳感器陣列與標量傳感器陣列相比較，聲矢量傳感器陣列不僅能夠獲取陣列孔徑信息，而且蘊含矢量傳感器各分量之間的正交信息，因而具有更高的空間分辨力和測向精度，近年來已成為國內外學者研究的熱點問題。本發(fā)明針對現(xiàn)有方法的不足利用聲矢量傳感器陣列自身的矢量結構特性，將聲矢量傳感器陣列分成聲壓子陣、x軸振速子陣、y軸振速子陣和z軸振速子陣四個子陣，根據(jù)子陣的旋轉不變特性解相干，該方法適用于均勻和非均勻聲矢量傳感器線陣。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種遠場窄帶相干源聲矢量傳感器陣列解相干到達角估計方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下的技術解決方案：

聲矢量傳感器陣列空間旋轉解相干到達角估計方法，k個相干窄帶、平穩(wěn)遠場聲源信號從不同的方向θk入射到該接收陣列上，θk∈[0，π/2]是第k個信號的俯仰角，k＝1，…，k，所述陣列由m個在x軸上任意分布的聲矢量傳感器陣元構成，所述陣元是具有空間共點同步測量聲壓以及x軸、y軸和z軸方向振速分量的聲矢量傳感器，所有傳感器的對應通道相互平行：所有的聲壓傳感器相互平行，所有的x軸方向振速傳感器相互平行，所有的y軸方向振速傳感器相互平行，以及所有的z軸方向振速傳感器相互平行；任意兩個相鄰陣元間距小于等于λmin/2，λmin為入射聲波信號的最小波長；

聲矢量傳感器陣列空間旋轉解相干到達角估計方法步驟如下：

步驟一、m個任意分布在x軸的聲矢量傳感器陣元構成非均勻線陣接收陣列，陣列輸出n次同步采樣數(shù)據(jù)z；

步驟二、通過子陣級處理恢復信號協(xié)方差矩陣的秩，得到解相干后的協(xié)方差數(shù)據(jù)矩陣rz；

根據(jù)陣列數(shù)據(jù)z的排布規(guī)律將數(shù)據(jù)分成聲壓以及x軸、y軸和z軸方向振速子陣數(shù)據(jù)，計算四個子陣數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣和其中，和分別是聲壓以及x軸、y軸和z軸方向振速子陣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，通過四個子陣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的算術平均得到解相干后的滿秩數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣rz；

步驟三、由解相干后的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣rz獲取噪聲空間；

通過對數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣rz進行特征分解，k個大特征對應的特征矢量構成信號子空間us，m-k個小特征值對應的特征矢量構成噪聲子空間un；

步驟四、利用噪聲子空間un構造music空間譜通過角度域θ∈[0，π/2]的一維music譜峰搜索得到到達角的估計值

本發(fā)明采用的x軸上任意分布的線陣，陣列的陣元為由聲壓傳感器和x軸、y軸及z軸方向的振速傳感器構成的聲矢量傳感器，并且所有的聲壓傳感器相互平行，所有的x軸方向振速傳感器相互平行，所有的y軸方向振速傳感器相互平行，所有的z軸方向振速傳感器相互平行。本發(fā)明利用聲矢量傳感器自身具有的正交矢量特性，給出了聲矢量傳感器空間旋轉解相干方法，本發(fā)明方法沒有減小陣列孔徑信息，具有更高的空間分辨力和測向精度，打破了原有空間平滑方法僅適用于均勻陣列的限制，擴大了方法的適用范圍。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中需要使用的附圖做簡單介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例聲矢量傳感器陣列的示意圖；

圖2為本發(fā)明方法的流程圖；

圖3為信噪比是0db時三種方法在均勻線陣條件下到達角估計性能比較；

圖4為信噪比是2db時三種方法在均勻線陣條件下到達角估計性能比較；

圖5為信噪比是4db時三種方法在均勻線陣條件下到達角估計性能比較；

圖6為信噪比是0db時三種方法在非均勻線陣條件下到達角估計性能比較；

圖7為信噪比是2db時三種方法在非均勻線陣條件下到達角估計性能比較；

圖8為信噪比是4db時三種方法在非均勻線陣條件下到達角估計性能比較；

具體實施方式

為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征及優(yōu)點能更明顯，下文特舉本發(fā)明實施例，并配合所附圖示，做詳細說明如下。

圖1所示為本發(fā)明實施例的聲矢量傳感器陣列的示意圖。本發(fā)明的聲矢量傳感器陣列由m個x軸上任意分布的陣元構成，所述陣元是具有空間共點同步測量聲壓以及x軸、y軸和z軸方向振速分量的聲矢量傳感器；任意兩個相鄰陣元間距小于等于λmin/2，λmin為入射聲波信號的最小波長；

參照圖2，本發(fā)明的解相干到達角估計方法的步驟如下：x軸上任意分布聲矢量傳感器線陣接收k個相干窄帶、平穩(wěn)遠場聲源信號，k為入射聲源信號的數(shù)量，

步驟一、m個任意分布在x軸的聲矢量傳感器陣元構成非均勻線陣接收陣列，陣列輸出n次同步采樣數(shù)據(jù)z；

步驟二、通過子陣級處理恢復信號協(xié)方差矩陣的秩，得到解相干后的協(xié)方差數(shù)據(jù)矩陣rz；

根據(jù)陣列數(shù)據(jù)z的排布規(guī)律將數(shù)據(jù)分成聲壓以及x軸、y軸和z軸方向振速子陣數(shù)據(jù)，計算四個子陣數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣和其中，和分別是聲壓以及x軸、y軸和z軸方向振速子陣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，通過四個子陣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的算術平均得到解相干后的滿秩數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣rz；

步驟三、由解相干后的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣rz獲取噪聲空間；

通過對數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣rz進行特征分解，k個大特征對應的特征矢量構成信號子空間us，m-k個小特征值對應的特征矢量構成噪聲子空間un；

步驟四、利用噪聲子空間un構造music空間譜通過角度域θ∈[0，π/2]的一維music譜峰搜索得到到達角的估計值

本發(fā)明給出了x軸上任意分布聲矢量傳感器線陣解相干到達角估計方法，充分利用聲矢量傳感器陣列自身的矢量結構特性進行解相干處理，將聲矢量傳感器陣列分成聲壓子陣、x軸振速子陣、y軸振速子陣和z軸振速子陣四個子陣，然后通過子陣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣算術平均解相干，然后利用子空間方法得到噪聲子空間，構造music譜，通過一維角度搜索完成到達角的估計。相比于解相干前的傳統(tǒng)music方法和空間平滑解相干方法，本發(fā)明方法突破了現(xiàn)有空間平滑解相干只適用于均勻陣局限，對于均勻線陣和非均勻線陣均成立，且不損失陣列孔徑，相同條件下參數(shù)估計精度高于空間平滑方法。

本發(fā)明的效果可以通過以下的仿真結果進一步說明：

仿真實驗1：

仿真實驗條件如下：兩個相干窄帶、平穩(wěn)遠場聲源信號入射到由8個在x軸上均勻分布的聲矢量傳感器陣元構成的線性陣列，如圖1所示，陣元間隔等于0.5λmin，入射信號的參數(shù)為：(θ1，θ2)＝(15°，50°)，快拍數(shù)為512次；

仿真實驗結果如圖3至圖5所示，圖3-5為信噪比分別是0db、2db和4db、時，x軸上均勻線陣下的解相干前傳統(tǒng)music方法、空間平滑解相干方法和本發(fā)明方法的到達角估計結果，從圖3-5可以看出在同樣信噪比條件下，空間平滑解相干方法和本發(fā)明方法都能解相干，但相比于空間平滑解相干方法，本發(fā)明方法的空間譜更尖銳，有更高的到達角參數(shù)估計精度。

仿真實驗2：

仿真實驗條件如下：該仿真實驗的兩個相干窄帶、平穩(wěn)遠場聲源信號入射到由8個在x軸上任意分布的聲矢量傳感器陣元構成的非均勻線陣，陣元間隔小于等于0.5λmin且隨機分布，入射信號的參數(shù)為：(θ1，θ2)＝(15°，50°)，快拍數(shù)為512次。

仿真實驗結果如圖6至圖8所示，圖6-8為信噪比分別是0、2db和4db時，x軸上非均勻線陣下的解相干前傳統(tǒng)music方法、空間平滑解相干方法和本發(fā)明方法到達角空間譜估計結果，從圖6-8可以看出在同樣信噪比條件下，在非均勻線陣下空間平滑解相干方法沒有形成譜峰，空間平滑解相干方法失效，而本發(fā)明方法能夠形成尖銳譜峰，從而說明本發(fā)明方法對非均勻線陣也適用，從而驗證了本發(fā)明方法的正確性。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍內，當可利用上述揭示的技術內容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍內。