CN108469599A - 一种声矢量传感器幅度加权music测向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声矢量传感器幅度加权MUSIC测向方法，属于传感器信号处理技术领域，具体为利用单个声矢量传感器对处于海洋环境噪声场中的目标测向。本方法通过声矢量传感器实现，所述的声矢量传感器由声压传感器和三个振速传感器空间共点组成，同时测量声压及x、y、z方向的三个振速分量。本发明联合估计目标角度和声压通道与振速通道的环境噪声功率，补偿掉了声压和振速通道环境噪声功率的不一致性，保证了在低信噪比条件下，此测向方法仍具有较高的估计精度和分辨力。同时解决了已有MUSIC测向技术在海洋环境噪声场中应用时旁瓣高、主瓣胖、无法分辨两个目标的难题，可有效用于解决海洋环境噪声场中对弱目标以及双目标的被动测向问题。

Description

一种声矢量传感器幅度加权MUSIC测向方法

技术领域

本发明属于传感器信号处理技术领域，具体涉及一种声矢量传感器幅度加权MUSIC测向方法。

背景技术

声矢量传感器可同时获得声场的声压和振速信息，为水下目标测向提供了更有利的工具和更多信息。MUSIC测向技术是一种超分辨测向技术，MUSIC技术最初是在无线电测向应用中提出。

近几年，MUSIC技术拓展到了单个声矢量传感器水下目标的测向应用中，当声矢量传感器在水下应用时，海洋环境噪声是主要的噪声源，然而声压通道和振速通道所接收的海洋环境噪声功率并不相等。

目前已有的MUSIC测向技术在单个声矢量传感器测向中应用时，没有考虑声矢量传感器的声压通道和振速通道所接收的海洋环境噪声功率不一致性，导致MUSIC测向技术在水下目标探测中无法得到应有的高精度估计。

本发明提出了一种声矢量传感器幅度加权MUSIC测向方法，该方法可消除声压通道和振速通道的海洋环境噪声功率不一致性，在低信噪比时仍旧有较高的角度分辨力，同时可以分辨两个目标的角度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消除声压通道和振速通道的海洋环境噪声功率不一致性、提高低信噪比时的角度分辨力以及能够分辨目标的角度的声矢量传感器幅度加权MUSIC测向方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明公开了一种声矢量传感器幅度加权MUSIC测向方法，所述的声矢量传感器由声压传感器和三个振速传感器空间共点组成，其中，三个振速传感器成空间轴向垂直；声矢量传感器空间共点同时测量声压及x、y、z方向的三个振速分量，声矢量传感器在海洋环境噪声场中接收K(K≤2)个远场目标信号，设其中， 分别为声压传感器和三个振速传感器接收到的海洋环境噪声功率；

所述的一种声矢量传感器幅度加权MUSIC测向方法的具体实现步骤包括：

(1)声矢量传感器输出N个快拍数据r(n)，其中r(n)是一个M×1的向量，M＝4,n＝1,…,N；

(2)根据N个快拍数据估计协方差矩阵

(3)初始化迭代次数l、幅度加权矩阵代价函数值

(4)利用补偿协方差矩阵中声压通道和振速通道所接收的海洋环境噪声功率不一致性，得到

(5)根据估计第l次迭代的目标角度(θ_i ^(l)，φ_i(l)),i＝1,…,K；

(6)利用目标角度估计值(θ_i ^(l)，φi^(l))，估计第l+1次迭代时的幅度加权矩阵

(7)设置迭代过程终止条件，若终止条件不满足，则l＝l+1，迭代跳转到步骤四重新执行；若终止条件满足，则迭代终止，目标角度估计值为(θ_i ^(l)，φ_i ^(l)),i＝1,…,K。

对于一种声矢量传感器幅度加权MUSIC测向方法，所述的步骤(3)的具体实现步骤包括：

(3.1)初始化迭代次数l＝0；

(3.2)分析接收信号的频谱或根据海洋环境噪声场的已知信息，得到的初始估计值为

(3.3)计算初始信号幅度加权矩阵为：

(3.4)设为一任意大数。

对于一种声矢量传感器幅度加权MUSIC测向方法，所述的步骤(5)的具体实现步骤包括：

(5.1)对进行特征值分解其中是特征值，按降序排列，是特征向量；

(5.2)构造噪声子空间

(5.3)通过搜索下面空间谱的谱峰位置，估计目标角度：

其中，u(θ，φ)＝[1，cos(θ)cos(φ)，sin(θ)cos(φ)，sin(φ)]^T是声矢量传感器在(θ，φ)角度的导向矢量，θ∈[-π,π]是搜索方位角，φ∈[-π/2,π/2]是搜索俯仰角。

对于一种声矢量传感器幅度加权MUSIC测向方法，所述的步骤(6)的具体实现步骤包括：

(6.1)设计算

(6.2)对R_ps进行特征值分解其中，α_m是特征值，按降序排列，v_m是特征向量；

(6.3)通过搜索下面代价函数的最小值，得到第l+1次的估计值：

(6.4)估计第l+1次迭代的幅度加权矩阵为：

优选的，所述的步骤(6)中，在各向同性噪声场条件下，此时，只需估计如下：

当有两个振速传感器接收的海洋环境噪声功率相等时，不失一般性，设此时，只需估计和如下：

对于一种声矢量传感器幅度加权MUSIC测向方法，步骤(7)中所述的迭代过程终止条件为：

计算第l+1次迭代的代价函数值

若或者l＜L，则不满足终止条件；否则，满足终止条件；

其中，ε为给定的门限，L为给定的迭代次数。

优选的，当声矢量传感器由声压传感器和在水平面内相互正交的二维振速传感器空间共点组合而成时，M＝3，u(θ，φ)＝[1，cos(θ)cos(φ)，sin(θ)cos(φ)]^T。

优选的，当探测目标的俯仰角已知时，通过搜索下面空间谱的谱峰位置，估计目标的方位角度：

当探测目标的方位角已知时，通过搜索下面空间谱的谱峰位置，估计目标的俯仰角度：

本发明的有益效果在于：本发明提出了一种声矢量传感器幅度加权MUSIC测向方法，补偿了声压通道和振速通道接收到的海洋环境噪声功率的不一致性，保证了在低信噪比条件下，此测向方法仍具有较高的估计精度和分辨力。同时解决了已有MUSIC测向技术在海洋环境噪声场中应用时旁瓣高、主瓣胖、无法分辨两个目标的难题。本发明主要应用于水下弱目标以及两个目标的被动探测。

附图说明

图1为本发明中幅度加权MUSIC测向方法的流程图；

图2为本发明中探测一个目标时，幅度加权MUSIC测向方法的二维空间谱；

图3为本发明中探测一个目标时，MUSIC测向技术的二维空间谱；

图4为本发明中探测两个目标时，幅度加权MUSIC测向技术的二维空间谱；

图5为本发明中探测两个目标时，MUSIC测向技术的二维空间谱；

图6为本发明中消声水池实验结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

结合图1，本发明的处理流程包含如下步骤：

声矢量传感器由声压传感器和三个空间轴向垂直的振速传感器空间共点组合而成。声矢量传感器空间共点同时测量声压以及x、y、z方向的三个振速分量。声矢量传感器在海洋环境噪声场中接收K(K≤2)个信号。设其中， 分别为声压传感器和三个振速传感器接收到的海洋环境噪声功率。

声矢量传感器幅度加权MUSIC测向技术的步骤如下：

步骤一：声矢量传感器输出为N个快拍数据r(n)，r(n)是由一个声压传感器和三个振速传感器组成的M×1的向量，M＝4,n＝1,…,N。r(n)可表述为：

r(n)＝[p(n)，v_x(n)，v_y(n)，v_z(n)]^T＝Bs(n)+e(n) (1)

其中，p(n)、v_x(n)、v_y(n)、v_z(n)分别为声压通道、x轴向振速通道、y轴向振速通道、z轴向振速通道的接收数据。s(n)＝[s₁(t)，…，s_N(t)]^T，s_i(t)为第i个目标信号，B＝[u(θ_i，φ_i),…,u(θ_i，φ_i)]^T,u(θ_i，φ_i)是第i个目标的导向矢量，θ_i，φ_i分别为第i个目标的方位角和俯仰角，

u(θ_i，φ_i)＝[1，cos(θ_i)cos(φ_i)，sin(θ_i)cos(φ_i)，sin(φ_i)]^T (2)

步骤二：根据N个快拍数据估计协方差矩阵

步骤三：初始化迭代次数l、幅度加权矩阵代价函数值

具体包括：

(1)初始化迭代次数l＝0。

(2)分析接收信号的频谱或根据海洋环境噪声的已知信息，得到的初始估计值为

(3)计算初始幅度加权矩阵如下：

(4)设为一任意大数。

步骤四：利用补偿协方差矩阵R中声压和振速通道所接收的海洋环境噪声功率不一致性，得到

步骤五：根据估计第l次迭代的目标角度(θ_i ^(l)，φ_i ^(l)),i＝1,…,K。具体步骤如下：

(1)对进行特征值分解其中是特征值，按降序排列，是特征向量。

(2)构造噪声子空间

(3)通过搜索下面空间谱的谱峰位置，估计目标的角度如下：

其中，u(θ，φ)＝[1，cos(θ)cos(φ)，sin(θ)cos(φ)，sin(φ)]^T是声矢量传感器在角度(θ，φ)处的导向矢量，θ∈[-π,π]是搜索方位角，φ∈[-π/2,π/2]是搜索俯仰角。

步骤六：利用目标角度估计值(θ_i ^(l)，φ_i ^(l))，估计第l+1次迭代时的幅度加权矩阵具体步骤如下：

(1)设计算

(2)对R_ps进行特征值分解其中，α_m是特征值，按降序排列，v_m是特征向量。

(3)通过搜索下面代价函数的最小值，估计如下：

(4)计算第l+1次迭代的幅度加权矩阵为

在各向同性噪声场条件下，此时，只需估计公式(5)改写为如下：

当有两个振速传感器接收的海洋环境噪声功率相等时，不失一般性，设此时，只需估计和公式(5)改写为如下：

(5)计算第l+1次迭代的幅度加权矩阵为

步骤七：计算第l+1次迭代的代价函数值如下：

如果(给定的门限)或者l＜L(给定的迭代次数)，则终止条件不满足，l＝l+1，迭代过程跳转到步骤四。否则，终止条件满足，迭代过程终止，目标角度估计值为(θ_i ^(l)，φ_i ^(l)),i＝1,…,K。

另外，当声矢量传感器由声压传感器和在水平面内相互正交的二维振速传感器空间共点组合而成时，上述步骤同样成立，此时M＝3，u(θ，φ)＝[1，cos(θ)cos(φ)，sin(θ)cos(φ)]^T。

当目标的俯仰角已知时，通过搜索下面空间谱的谱峰位置，估计目标的方位角度如下：

当目标的方位角已知时，通过搜索下面空间谱的谱峰位置，估计目标的俯仰角度如下：

下面通过仿真实例和试验实例对本发明具体实施做进一步描述。

仿真实施例1

声矢量传感器由声压传感器和三个空间轴向垂直的振速传感器空间共点组合而成。声矢量传感器空间共点同时测量声压以及x、y、z方向的三个振速分量。环境噪声为各向同性噪声，此时一个目标从(θ₁,φ₁)＝(20°,5°)入射到声矢量传感器，信噪比为-5dB。假设初始化幅度加权矩阵为

此时，幅度加权MUSIC测向技术的空间谱如图2所示，MUSIC测向技术的空间谱如图3所示。

结合图2，在低信噪比(SNR＝-5dB)时，幅度加权MUSIC测向技术在(20.6°，4.2°)有一尖锐谱峰，此谱峰位置与目标真实角度基本吻合。结合图3，MUSIC测向技术所给出的峰值在(23°，3°)，此角度偏离目标真实角度。因此幅度加权MUSIC测向技术具有较小的估计误差。另外，比较图2和图3，可以看出幅度加权MUSIC测向技术的空间谱旁瓣低，主瓣窄；而MUSIC测向技术旁瓣较高(-7dB左右)，主瓣很胖。

仿真实施例2

声矢量传感器由声压传感器和三个空间轴向垂直的振速传感器空间共点组合而成。声矢量传感器空间共点同时测量声压以及x、y、z方向的三个振速分量。环境噪声为各向同性噪声，此时两个目标分别从(θ₁,φ1)＝(80°,5°)和(θ₂,φ2)＝(20°,5°)入射到声矢量传感器，信噪比为-5dB。假设初始化幅度加权矩阵为

此时，幅度加权MUSIC测向技术的空间谱如图4所示，MUSIC测向技术的空间谱如图5所示。

结合图4，在低信噪比(SNR＝-5dB)时，幅度加权MUSIC测向技术分别在(81.8°,4.8°)和(21°,4.2°)处有两个尖锐的谱峰，(81.8°,4.8°)和(21°,4.2°)与两个目标的真实角度基本吻合，因此幅度加权MUSIC测向技术能在低信噪比时正确估计两个目标的角度。结合图5，在低信噪比(SNR＝-5dB)时，MUSIC测向技术分别在(50.4°,5.2°)和(-131.6°,-8°)处有两个谱峰，(50.4°,5.2°)和(-131.6°,-8°)明显偏离两个目标的真实角度，因此MUSIC测向技术能在低信噪比时不能正确估计两个目标的角度。

消声水池试验实施例

在消声水池开展声矢量传感器目标方位角度估计实验。声矢量传感器由声压传感器和在水平面内相互正交的二维振速传感器空间共点组合而成。实验中目标声源发射单频信号，信号频率为2.5kHz。声源距声矢量传感器15m，声源和声矢量传感器位于同一深度，此时俯仰角φ₁＝0°。由于此声矢量传感器不含垂直于水平面的振速传感器，我们只给出方位角的空间谱，如图6所示。由图6可知，MUSIC测向技术的旁瓣较高而且主瓣较宽，而幅度加权MUSIC测向技术具有较低旁瓣和较窄的主瓣。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种声矢量传感器幅度加权MUSIC测向方法，其特征在于：所述的声矢量传感器由声压传感器和三个振速传感器空间共点组成，其中，三个振速传感器成空间轴向垂直；声矢量传感器空间共点同时测量声压及x、y、z方向的三个振速分量，声矢量传感器在海洋环境噪声场中接收K(K≤2)个远场目标信号，设其中， 分别为声压传感器和三个振速传感器接收到的海洋环境噪声功率；

所述的一种声矢量传感器幅度加权MUSIC测向方法的具体实现步骤包括：

(1)声矢量传感器输出N个快拍数据r(n)，其中r(n)是一个M×1的向量，M＝4,n＝1,…,N；

(2)根据N个快拍数据估计协方差矩阵

(3)初始化迭代次数l、幅度加权矩阵代价函数值

(4)利用补偿协方差矩阵中声压通道和振速通道所接收的海洋环境噪声功率不一致性，得到

(5)根据估计第l次迭代的目标角度(θ_i ^(l)，φ_i ^(l)),i＝1,…,K；

(6)利用目标角度估计值(θ_i ^(l)，φ_i ^(l))，估计第l+1次迭代时的幅度加权矩阵

(7)设置迭代过程终止条件，若终止条件不满足，则l＝l+1，迭代跳转到步骤四重新执行；若终止条件满足，则迭代终止，目标角度估计值为(θ_i ^(l)，φ_i ^(l)),i＝1,…,K。

2.根据权利要求1所述的一种声矢量传感器幅度加权MUSIC测向方法，其特征在于，所述的步骤(3)的具体实现步骤包括：

(3.1)初始化迭代次数l＝0；

(3.2)分析接收信号的频谱或根据海洋环境噪声场的已知信息，得到的初始估计值为

(3.3)计算初始信号幅度加权矩阵为：

(3.4)设为一任意大数。

3.根据权利要求1所述的一种声矢量传感器幅度加权MUSIC测向方法，其特征在于，所述的步骤(5)的具体实现步骤包括：

(5.1)对进行特征值分解其中是特征值，按降序排列，是特征向量；

(5.2)构造噪声子空间

(5.3)通过搜索下面空间谱的谱峰位置，估计目标角度：

其中，u(θ，φ)＝[1，cos(θ)cos(φ)，sin(θ)cos(φ)，sin(φ)]^T是声矢量传感器在(θ，φ)角度的导向矢量，θ∈[-π,π]是搜索方位角，φ∈[-π/2,π/2]是搜索俯仰角。

4.根据权利要求1所述的一种声矢量传感器幅度加权MUSIC测向方法，其特征在于，所述的步骤(6)的具体实现步骤包括：

(6.1)设计算

(6.2)对R_ps进行特征值分解其中，α_m是特征值，按降序排列，v_m是特征向量；

(6.3)通过搜索下面代价函数的最小值，得到第l+1次的估计值：

(6.4)估计第l+1次迭代的幅度加权矩阵为：

5.根据权利要求1或4所述的一种声矢量传感器幅度加权MUSIC测向方法，其特征在于：所述的步骤(6)中，在各向同性噪声场条件下，此时，只需估计如下：

当有两个振速传感器接收的海洋环境噪声功率相等时，不失一般性，设此时，只需估计和如下：

6.根据权利要求1所述的一种声矢量传感器幅度加权MUSIC测向方法，其特征在于，步骤(7)中所述的迭代过程终止条件为：

计算第l+1次迭代的代价函数值

若或者l＜L，则不满足终止条件；否则，满足终止条件；

其中，ε为给定的门限，L为给定的迭代次数。

7.根据权利要求1所述的一种声矢量传感器幅度加权MUSIC测向方法，其特征在于：当声矢量传感器由声压传感器和在水平面内相互正交的二维振速传感器空间共点组合而成时，M＝3，u(θ，φ)＝[1，cos(θ)cos(φ)，sin(θ)cos(φ)]^T。

8.根据权利要求1所述的一种声矢量传感器幅度加权MUSIC测向方法，其特征在于：

当探测目标的俯仰角已知时，通过搜索下面空间谱的谱峰位置，估计目标的方位角度：

当探测目标的方位角已知时，通过搜索下面空间谱的谱峰位置，估计目标的俯仰角度：