[發明專利]圓形聲矢量傳感器陣列近場源多參數估計方法

有效

• 申請號: 201710171735.4
• 申請日: 2017-03-21
• 公開（公告）號: CN106932087B
• 公開（公告）日: 2019-07-05
• 發明（設計）人: 王桂寶
• 申請（專利權）人: 陜西理工大學
• 主分類號: G01H17/00
• 分類號: G01H17/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

圓形聲矢量傳感器陣列近場源多參數估計方法，步驟如下：對聲矢量傳感器陣列的輸出信號進行采樣，利用直接采樣數據和延時采樣數據構成接收信號全數據，通過數據相關矩陣的特征分解獲取信號子空間和噪聲子空間，利用延時前后數據間的旋轉不變關系獲取信號陣列導向矢量和信號頻率估計，將信號導向矢量分成四個子陣導向矢量，并利用子陣導向矢量間的比值關系獲得到達角和聲源距離的粗略估計值，通過MUSIC算法在粗略估計值附近區域搜索信號到達角和距離的精確估計值，本發明充分利用聲矢量傳感器本身所固有的旋轉不變結構，利用ESPRIT算法進行粗估并與MUSIC小區域精搜方法相結合實現到達角和距離的精確估計，本發明方法具有計算量小、算法簡單、使用方便的優點。

技術領域

本發明屬于陣列信號處理技術領域，尤其涉及一種聲矢量傳感器陣列的近場源頻率、二維到達角和距離的估計方法。

背景技術

聲矢量傳感器由一個無指向性的聲壓傳感器和三個互相垂直的具有偶極子指向性的質點振速傳感器復合而成，可同步測量聲波信號的聲壓強度和質點振速信息，因而在雷達、聲納、通信、航天航空等領域得到了日益廣泛的應用，當信源落入陣列孔徑的菲涅爾區域時被稱為近場源，對近場源的定位需要估計距離和到達角多個參數，基于聲矢量傳感器陣列的近場聲源位置定位已成為國內外學者的研究熱點。

基于子空間理論的陣列高分辨參數估計方法已被應用到近場信源目標定位，劉楠楠在吉林大學2014年碩學位士論文(題目：基于聲矢量傳感器的近場源多參數估計)中利用二維多信號分類方法進行高斯白噪聲背景下的近場源參數估計，該方法能抑制高斯平穩噪聲，但需要做基于雙四元數的MUSIC搜索，需要在二維到達角和距離上做三維搜索，到達角估計分辨率的提高依賴于精細的陣列搜索區間，因而具有計算量大的缺點。本發明采用均勻圓形聲矢量傳感器陣列，提出了近場源到達角、頻率和距離的旋轉不變技術估計信號參數(ESPRIT)和多信號分類方法(MUSIC)參數估計方法，本發明首先充分利用聲矢量傳感器本身所固有的旋轉不變結構，利用ESPRIT算法進行參數估計，給出了近場源信號到達角和聲源距離的粗略估計值，然后利用MUSIC算法在粗略值附近搜索得到信號到達角和聲源距離的精確估計值，此方法不需要在全參數空間內三維搜索，且參數自動配對；因此，計算量大大地減少，且在陣元個數有限的情況下，提高了近場源情景下聲矢量傳感器陣列近場源參數估計精度。對于近場聲源信號，陣元間的相位差不僅與陣元間距和入射信號的方向有關而且與聲源到陣元的距離有關，所以遠場條件具有平移不變結構的均勻線陣、均勻L陣等，對于近場不具有平移不變結構，所以現有的文獻很少涉及近場源的ESPRIT參數估計算法，本發明充分利用聲矢量傳感器的陣列所固有的旋轉不變關系進行參數估計。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于ESPRIT和MUSIC的近場源圓形聲矢量傳感器陣列多參數聯合估計方法。

為了實現上述目的，本發明采取如下的技術解決方案：

圓形聲矢量傳感器陣列近場源多參數估計方法，K個不同頻率、互不相關窄帶、隨機平穩近場聲源信號分別從不同的方向和不同的距離(θ_k，φ_k，r_k)入射到圓形聲矢量傳感器陣列上，θ_k為入射信號的俯仰角，φ_k為入射信號的方位角，r_k為第k個信號與坐標原點陣元之間的距離，圓形聲矢量傳感器陣列由M個等間隔布置于半徑為R的圓周上的陣元構成，以圓周的圓心為坐標原點且在坐標原點放置相同的聲矢量傳感器作為參考陣元，所述陣元是由聲壓傳感器和x軸、y軸和z軸方向振速傳感器組成的聲矢量傳感器，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，且x軸、y軸和z軸振速傳感器兩兩相互垂直；圓形聲矢量傳感器陣列上相鄰陣元間的間隔為λ_min/(8sin(π/M))，λ_min為入射聲波信號的最小波長，且圓半徑R和陣元間隔與入射聲波信號的波長和聲源的距離之間滿足近場條件；