一種聲矢量圓陣穩(wěn)健寬帶mvdr方位估計方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于聲矢量通信領(lǐng)域，具體涉及一種聲矢量圓陣穩(wěn)健寬帶MVDR方位估計方法。本發(fā)明包括：將二維矢量圓陣接收的聲壓數(shù)據(jù)以及振速數(shù)據(jù)，進行子頻帶分解，分別生成聲壓、振速和振速的寬帶頻域信號矩陣，得到矢量陣的寬帶頻域快拍數(shù)據(jù)矩陣；生成各個子頻帶上的矢量陣互譜矩陣；設(shè)置步長，實施方位角掃描，在子頻帶上構(gòu)造矢量陣導(dǎo)向矢量；選取聚焦參考頻率點，在相同的方位角上構(gòu)造矢量陣聚焦導(dǎo)向矢量；采用相干信號子空間CSS聚焦變換方法，得到矢量陣聚焦變換矩陣；得到寬帶聚焦協(xié)方差矩陣；得到最優(yōu)權(quán)矢量；得在優(yōu)化后的陣列平均輸出功率；通過空間譜的譜峰位置確定聲源來波方向。本發(fā)明施加穩(wěn)健性約束優(yōu)化，可提高空間譜的空間分辨率。
【專利說明】—種聲矢量圓陣穩(wěn)健寬帶MVDR方位估計方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于聲矢量通信領(lǐng)域，具體涉及一種聲矢量圓陣穩(wěn)健寬帶MVDR方位估計方法。

【背景技術(shù)】
[0002]矢量傳感器可以空間共點同步拾取聲場的聲壓和質(zhì)點振速的三個正交分量，利用振速分量可在全空間對聲源進行無模糊定向，同時，聲壓和振速聯(lián)合信號處理技術(shù)具有良好的抗噪能力?；谝陨咸攸c，矢量傳感器在實際工程中得到了廣泛應(yīng)用，基于矢量傳感器陣列(簡稱為矢量陣)的信號處理方法也成為信號處理領(lǐng)域中一個比較活躍的研究方向。
[0003]著名學(xué)者Nechorai將矢量傳感器納入經(jīng)典的水聲信號處理框架，將矢量傳感器的振速分量作為獨立的陣元信息來處理(Arye Nehorai, Eytan Pald1.Acousticvector-sensor array processing.1EEE Trans.Signal Processing, 1994, 42(9):2481-2491.)。Nehorai教授的研究對矢量陣列信號處理的影響深遠，至今大部分的矢量陣信號處理方法均是以該理論框架為基礎(chǔ)建立和發(fā)展起來的。
[0004]矢量陣處理技術(shù)在均勻線陣上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，常規(guī)波束形成和高分辨率算法都被應(yīng)用到矢量陣上，如:矢量陣常規(guī)波束形成器以及Capon方位估計等(Malcolm Hawkes, Arye Nehora1.Acoustic vector-sensor beamformingand Capon direct1n estimat1n.1EEE,New Haven:Department of ElectricalEngineering, 1995:1673-1676)。但和聲矢量線陣方位估計方法豐碩的研究成果相比，有關(guān)聲矢量圓陣的研究卻鮮見報道。圓陣在聲吶系統(tǒng)中有著比較廣泛的應(yīng)用，比如現(xiàn)代艇艏聲吶系統(tǒng)多采用圓柱形或球形聲吶基陣，航空吊放聲吶也皆采用圓柱形聲吶基陣。聲矢量圓陣的方位估計問題成為研究熱點，未來具有廣闊的應(yīng)用前景。楊德森等人為了實現(xiàn)矢量傳感器在圓陣陣型下的應(yīng)用，提出了一種適合于聲矢量圓陣的目標方位估計算法，但目前僅能解決單頻聲源的方位估計問題(楊德森，朱中銳，時勝國等.聲矢量圓陣相位模態(tài)域目標方位估計.聲學(xué)學(xué)報.2014.39(1):19-26.以及楊德森，朱中銳，時勝國.矢量圓陣測向方法.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報.2012.33 (10): 1259-1264)。
[0005]與單頻窄帶信號處理方法相比，寬帶信號處理方法具有更大的復(fù)雜性，總體可分為相干處理和非相干處理，相干寬帶MVDR(最小方差無畸變響應(yīng)，Minimum VarianceDistort1nless Response)處理可對相干聲源具有較強的適應(yīng)能力，同時具有較高的分辨率和背景起伏抑制能力(張德明，郭良浩，張仁和.基于聚焦變換的寬帶信號方位穩(wěn)健估計.聲學(xué)學(xué)報.2005.30 (4): 303-308.以及時潔，楊德森.矢量陣相干寬帶MVDR聚焦波束形成.系統(tǒng)仿真學(xué)報.2010.22 (2): 473-477.)。但以上方法的重要缺點是在陣型失配或小快拍數(shù)條件下出現(xiàn)明顯的性能下降。盡管目前用以改進MVDR波束形成穩(wěn)健性的方法很多，典型算法包括:線性約束最小方差波束形成，基于對角加載的波束形成，以及基于特征子空間的波束形成等，但仍未有適用于聲矢量圓陣的穩(wěn)健性方法。
[0006]基于此，本發(fā)明提供了一種適用于聲矢量圓陣的具有高穩(wěn)健性的寬帶MVDR方位估計方法。第一、針對聲矢量圓陣的陣型結(jié)構(gòu)特點，構(gòu)造不同子頻帶矢量陣導(dǎo)向矢量以及參考頻率矢量陣聚焦導(dǎo)向矢量，利用導(dǎo)向矢量聚焦變換，對相干聲源具有較強的適用性；第二、與聲壓陣處理相比，矢量陣處理可明顯壓制旁瓣起伏并提高分辨率，并實現(xiàn)全方位角無模糊估計；第三、對矢量陣聚焦導(dǎo)向矢量進行穩(wěn)健性約束優(yōu)化，提高寬帶MVDR方位估計方法在陣型失配及小快拍數(shù)條件下的穩(wěn)健性，可在保證高分辨性能的同時具有較強的背景起伏抑制能力。可滿足基于聲矢量圓陣的穩(wěn)健方位估計應(yīng)用需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種提高估計效率，簡化估計流程的聲矢量圓陣穩(wěn)健寬帶MVDR方位估計方法。
[0008]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0009](I)將二維矢量圓陣接收的聲壓數(shù)據(jù)Xp以及振速數(shù)據(jù)Xvx和Xvy，進行子頻帶分解，分別生成聲壓、VX振速和Vy振速的寬帶頻域信號矩陣、AT(人)和Xf (./；)，得到矢量陣的寬帶頻域快拍數(shù)據(jù)矩陣Xj (fk)，

【權(quán)利要求】
1.一種聲矢量圓陣穩(wěn)健寬帶MVDR方位估計方法，其特征在于: (1)將二維矢量圓陣接收的聲壓數(shù)據(jù)Xp以及振速數(shù)據(jù)Xvy，進行子頻帶分解，分別生成聲壓、VX振速和vy振速的寬帶頻域信號矩陣Xf(Zi)、.\了認)和^(/丨)，得到矢量陣的寬帶頻域快拍數(shù)據(jù)矩陣Xj (fk)，
其中，Sj(fk)為源信號的頻域快拍數(shù)據(jù)矩陣'IL <(./;)和XfK)分別為聲壓、νχ振速及vy振速信號的頻域快拍數(shù)據(jù)矩陣；Wifk)、JVf(Ji)和JVf (Ji)分別為聲壓、vx振速及vy振速通道噪聲信號的頻域快拍數(shù)據(jù)矩陣；Ap(fk)、Avx(fk)和Avy(fk)分別為聲壓、VX振速及Vy振速通道的陣列流型矢量；j = I, 2，…，J, k = I, 1+1,..., h-1, h, f1為下限頻率，fh為上限頻率，下標“ 1、h和k”代表頻率編號， 得到矢量陣第j個頻域快拍數(shù)據(jù)矩陣X^fk)為:
(2)生成各個子頻帶上的矢量陣互譜矩陣R(fk)，
(3)設(shè)置步長，實施方位角掃描，對任意一個方位角§,在子頻帶fk上構(gòu)造矢量陣導(dǎo)向矢量
a?C/；|#)=cos#-^(/4|^5 aJfllS) = sm1-ap(ft\S)； C 為聲速，i 表示復(fù)數(shù)，i2=-1 ; (4)選取&為聚焦參考頻率點，在相同的方位角#上構(gòu)造矢量陣聚焦導(dǎo)向矢量Mfo I Θ).

(5)采用相干信號子空間CSS聚焦變換方法，得到fk上的矢量陣聚焦變換矩陣
(6)對(2)和(5)進行導(dǎo)向矢量聚焦變換后,得到fk上的協(xié)方差矩陣及(./；I句，進一步將總共K個頻帶的禽/, j兩進行累加后得到寬帶聚焦協(xié)方差矩陣龜,
(7)對實際存在失配誤差的矢量陣導(dǎo)向矢量《(λI務(wù)施加穩(wěn)健性約束優(yōu)化條件，得到最優(yōu)權(quán)矢量》%,(々)，
焉至分別為矢量#中的I至2N號元素； (8)將!?，_(勿代入目標函數(shù)中，得在優(yōu)化后的陣列平均輸出功率/>(#),
p(i)=wlt(3)E0)wom(3)f (9)重復(fù)(3)至(8)的步驟直至完成全部的空間角度掃描，繪制聲矢量圓陣穩(wěn)健寬帶空間譜圖，通過空間譜的譜峰位置確定聲源來波方向。
【文檔編號】G01S3/80GK104166120SQ201410317216
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月4日
【發(fā)明者】時潔, 楊德森, 時勝國, 朱中銳, 方爾正, 莫世奇, 胡博, 洪連進, 李思純, 張攬月, 李松 申請人:哈爾濱工程大學(xué)