CN109342995A - 一种声矢量传感器测向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声矢量传感器测向方法，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进行稳健的高精度测向。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。本发明的具体过程为首先利用接收信号协方差矩阵第一主特征向量的Hadamard积构造空间谱，从而消除通道相位误差对测向结果的影响，然后利用解模糊操作得到无模糊的测向结果。本发明的效果不受通道相位误差的影响，具有较强的稳健性，保证了在通道相位误差条件下，此测向方法仍具有较高的估计精度，有助于实现单矢量传感器高精度测向技术的实用化。

Description

一种声矢量传感器测向方法

技术领域

本发明涉及一种声矢量传感器测向方法，属于传感器信号处理技术领域。

背景技术

由于声矢量传感器振速通道的指向性，单个声矢量传感器即可实现目标测向。单矢量传感器最常用的方位估计方法是声能流法。在高信噪比条件下，声能流法具有较高的估计精度；但在低信噪比下，其估计精度急剧下降。若将单矢量传感器声压通道和振速通道的接收数据构成向量，可利用阵列信号处理的方式实现目标方位估计。单矢量传感器多重信号分类(multiple signal classification，MUSIC)测向方法就是利用阵列信号处理方式来实现水下目标的高精度测向。

实际应用中，单矢量传感器的声压和振速通道之间的相位误差不可避免(赵微.矢量传感器阵高分辨方位估计及其稳定性研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文,2008)。但MUSIC测向技术易受通道相位误差的影响，估计精度降低。因此要使单矢量传感器高精度测向技术实用化，必需增强其稳健性。

本发明提出了一种改进的单矢量传感器MUSIC测向方法，可实现相位误差条件下，对水下目标的稳健高精度测向。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种能在通道相位误差条件下实现稳健的高精度声矢量传感器测向方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种声矢量传感器测向方法，声矢量传感器由声压传感器和振速传感器空间共点组成，其中，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振速分量，测向方法包括以下步骤：

步骤1：声矢量传感器输出为N个快拍的向量r(n),n＝1,...,N；

步骤2：根据N个快拍数据估计协方差矩阵

步骤3：计算其中C为噪声功率一致化矩阵；

步骤4：对进行特征分解得到第一个主特征向量v₁；并定义其中v₁(1)是v₁的第一个元素；其中⊙为哈达马积，即两个向量的每个元素对应相乘；

步骤5：根据v₂构造空间谱得到目标方位估计值；

步骤6：对估计目标方位值进行解模糊操作得到无模糊的目标方位估计值。

本发明还包括：

1.步骤3中的噪声功率一致化矩阵C具体为：

当声矢量传感器为三维声矢量传感器时，其中，diag(.)定义一个对角矩阵，对角元素为括号内的值； 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；

当声矢量传感器为二维声矢量传感器，其中 分别为声压传感器和二个振速传感器接收到的海洋环境噪声功率。

2.步骤5的具体实现为：

当声矢量传感器为三维声矢量传感器时，目标方位估计值满足：

其中，I_M是M×M维的单位阵，是声矢量传感器在(θ，φ)方位的导向向量，θ∈[-π,π]是搜索水平方位角，φ∈[-π/2,π/2]是搜索俯仰角；

当探测目标的俯仰角已知时，估计目标水平方位角满足：

当探测目标的水平方位角已知时，估计目标俯仰角满足：

当声矢量传感器为二维声矢量传感器时，目标方位估计值满足：

其中，φ₁为已知目标俯仰角，u(θ，φ₁)＝[1，cos(θ)cos(φ₁)，sin(θ)cos(φ₁)]^T是声矢量传感器在(θ，φ₁)方位的导向向量。

3.当声矢量传感器为三维声矢量传感器时，步骤6的具体实现步骤包括：

6.1根据目标方位估计值得到通道相位误差估计如下：

其中，Θ表示两个向量的每个元素对应相除，angle{·}为取角度操作；

6.2无模糊的目标方位估计值满足：

其中，x(i)表示向量x的第i个元素；

当声矢量传感器为二维声矢量传感器时，步骤6的具体实现步骤包括：

6.1根据目标方位估计值得到M个通道的相位误差估计如下：

其中，Θ表示两个向量的每个元素对应相除，angle{·}为取角度操作；

6.2无模糊的目标方位估计值满足：

4.当声矢量传感器为三维声矢量传感器时，无模糊的通道相位误差估计为：

当声矢量传感器为二维声矢量传感器时，无模糊的通道相位误差估计为：

本发明有益效果：本发明提出了一种稳健的高精度声矢量传感器测向方法，解决了MUSIC测向方法在相位误差条件下测向精度低甚至无法测向的难题，此测向方法的测向精度不受通道相位误差的影响，具有较高的估计精度和稳健性。本发明主要应用于实际中相位误差情况下的水下目标被动探测。

附图说明

图1为本发明测向方法的流程图；

图2为无相位误差时本发明测向方法的二维空间谱；

图3为无相位误差时MUSIC测向方法的二维空间谱；

图4为相位误差b＝[0,10°,20°,15°]时MUSIC测向方法的二维空间谱；

图5为相位误差b＝[0,60°,-70°,60°]时MUSIC测向方法的二维空间谱；

图6为无相位误差时本发明测向方法和MUSIC测向方法的一维空间谱；

图7为相位误差b＝[0,10°,20°]时本发明测向方法和MUSIC测向方法的一维空间谱；

图8为相位误差b＝[0,60°,-70°]时本发明测向方法和MUSIC测向方法的一维空间谱；

图9为本发明测向方法和MUSIC测向方法的消声水池试验结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明利用声矢量传感器接收信号协方差矩阵第一主特征向量的哈达马积(Hadamard)构造空间谱，从而消除通道相位误差对测向结果的影响，然后利用解模糊操作得到无模糊的测向结果。

结合图1，本发明的处理流程包含如下步骤：

对于三维声矢量传感器，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。通道数目M＝4。声矢量传感器在海洋环境噪声场中接收一个远场信号。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。对于二维声矢量传感器，声压传感器和两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方向的两个振速分量。通道数目M＝3。

本发明测向方法的步骤如下：

步骤一：声矢量传感器输出为N个快拍数据r(n)，r(n)是由声压传感器和振速传感器组成的M×1的向量，,n＝1,...,N。r(n)可表述为：

r(n)＝Φu(θ₁，φ₁)s₁(n)+e(n) (1)

其中，；Φ＝diag(b)，b为由M个通道的相位误差组成的向量，diag(.)定义一个对角矩阵，对角元素为括号内的值；s₁(n)为目标信号，u(θ₁，φ₁)是目标的导向向量，θ₁，φ₁分别为目标的水平方位角和俯仰角，对于三维声矢量传感器，

u(θ₁，φ₁)＝[1，cos(θ₁)cos(φ₁)，sin(θ₁)cos(φ₁)，sin(φ₁)]^T (2)

对于二维声矢量传感器，

u(θ₁，φ₁)＝[1，cos(θ₁)cos(φ₁)，sin(θ₁)cos(φ₁)]^T (3)

步骤二：根据N个快拍数据估计协方差矩阵

步骤三：计算对于三维声矢量传感器对于二维声矢量传感器

步骤四：对进行特征分解得到第一个主特征向量v₁，即最大特征值对应的特征向量；并定义其中v₁(1)是v₁的第一个元素；其中⊙为Hadamard积，即两个向量的每个元素对应相乘。

步骤五：对于三维声矢量传感器，目标方位估计如下：

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(θ，φ)方位的导向向量，θ∈[-π,π]是搜索水平方位角，φ∈[-π/2,π/2]是搜索俯仰角；I_M是M×M维的单位阵。

对于二维声矢量传感器，目标水平方位角估计如下：

其中，φ₁为已知目标俯仰角， 是声矢量传感器在(θ，φ₁)方位的导向向量，θ∈[-π,π]是搜索水平方位角；

步骤六：对目标方位角度估计值进行解模糊操作得到无模糊的目标方位估计值。对于三维声矢量传感器，具体步骤如下：

(1)根据得到的目标方位估计值得到通道相位误差估计如下：

其中,Θ表示两个向量的每个元素对应相除。(4)其中，angle{·}为取角度操作。

(2)无模糊的方位估计值如下：

其中，x(i)表示向量x的第i个元素。

无模糊的通道相位误差估计为：

可以利用对接收数据进行相位误差自校正。

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，估计目标的水平方位角：

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

对于二维声矢量传感器，具体步骤如下：

(1)根据目标方位估计值得到M个通道的相位误差估计如下：

(2)无模糊的方位估计值如下：

无模糊的通道相位误差估计为：

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。

仿真实例1

声矢量传感器由声压传感器和在水平面内相互正交的三维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轴向的三个振速分量。环境噪声为各向同性噪声，一个3kHz单频目标信号从(θ₁,φ₁)＝(50°,40°)入射到矢量传感器，SNR＝5dB，采样数为5000。以下给出水平方位角和俯仰角的估计结果。

不存在相位误差时，本发明测向方法和MUSIC测向方法的二维空间谱分别如图2和图3所示。由图2可见，本发明测向方法存在角度估计模糊，取左前方第一个谱峰对应的方位为初始方位估计值，即根据本发明测向方法步骤六中的解模糊方法可以得到无模糊的角度估计另外，图3中，MUSIC空间谱的谱峰位置位于(49.2°,39.6°)，在真实目标方位附近。因此，不存在相位误差时，本发明测向方法和MUSIC测向方法都能对目标方位进行精确测向。

相位误差b＝[0,10°,20°,15°]时，MUSIC测向方法的二维空间谱如图4所示。由于本发明测向方法不受相位误差的影响，此时，其空间谱和图2相同，方位估计值与无相位误差时相同；根据本发明测向方法步骤六，可得到无模糊的相位误差估计值为此估计值与真实的相位误差b相近。而图4中，虽然MUSIC测向方法仍能正确测向；但与图3相比，由于相位误差的影响，其主瓣明显变胖，旁瓣明显升高。

相位误差b＝[0,60°,-70°,60°]时，MUSIC测向方法的二维空间谱如图5所示。如图5所示，MUSIC测向方法受相位误差的影响，已不能正确测向。由于本发明测向方法不受相位误差的影响，此时，其空间谱和图2相同，方位估计值与无相位误差时相同；根据本发明测向方法步骤六，可得到无模糊的相位误差估计值为此估计值与真实的相位误差b相近。

仿真实例2

声矢量传感器由声压传感器和在水平面内相互正交的两维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轴向的两个振速分量。环境噪声为各向同性噪声，一个3kHz单频目标信号从(θ₁,φ₁)＝(50°,0°)入射到矢量传感器，SNR＝0dB，采样数为5000。俯仰角φ₁＝10°已知，以下给出水平方位角的估计结果。

不存在相位误差时，MUSIC测向方法和本发明测向方法的水平方位空间谱如图6所示。由图6可见，本发明测向方法存在角度估计模糊，取左边第一个谱峰对应的方位角为初始角度估计值，即根据本发明测向方法步骤六中的解模糊方法可以得到无模糊的角度估计另外，图6中，MUSIC空间谱的谱峰位置也位于50°度附近。因此，不存在相位误差时，本发明测向方法和MUSIC测向方法都能对目标方位进行精确测向。

相位误差b＝[0,10°,20°]时，MUSIC测向方法和本发明测向方法的水平方位空间谱如图7所示。按照上面的步骤，由图7可知，本发明测向方法仍能实现高精度测向。根据本发明测向方法步骤六，可得到无模糊的相位误差估计值为此估计值与真实的相位误差b相近。另外，图7中，MUSIC测向方法仍能正确测向；但与图6相比，由于相位误差的影响，其主瓣明显变胖，旁瓣明显升高。

相位误差b＝[0,60°,-70°]时，MUSIC测向方法和本发明测向方法的水平方位空间谱如图8所示。按照上面的步骤，由图8可知，本发明测向方法仍能实现高精度测向。根据本发明测向方法步骤六，可得到无模糊的相位误差估计为此估计值与真实的相位误差b相近。另外，由图8可知，MUSIC测向方法由于相位误差的影响已经无法实现目标测向。

比较图2-8可知，本发明测向方法不受相位误差的影响。而MUSIC测向方法受相位误差影响很大，在较大相位误差情况下，甚至无法实现目标测向。

试验实例

利用消声水池实测数据进行矢量传感器目标方位估计试验验证。矢量传感器由声压传感器和二维振速传感器组成。发射换能器和声矢量传感器在水池中布放深度相同；此时已知俯仰角φ₁＝0°。发射换能器发射4kHz单频信号。以上两种方法的水平方位空间谱如图9所示。为了验证相位误差自校正的有效性，在图9中，同时给出相位误差自校正之后的MUSIC测向结果。

在图9中，取本发明测向方法的第一个谱峰所对应的角度值为其初始角度估计值，即根据本发明测向方法步骤六得到无模糊的角度估计值为而相位误差自校正后的MUSIC测向方法的谱峰位置为-46.38°，与本发明测向方法的估计值吻合，验证了相位误差自校正的正确性，从而也验证了本发明测向方法估计值的正确性。另一方面，MUSIC测向方法的估计值与其他两种方法的估计值相似；但其主瓣很胖、旁瓣很高。

本发明具体实施方式还包括：

本发明公开了一种稳健的高精度声矢量传感器测向方法，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进行稳健的高精度测向。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。本发明的具体过程为首先利用接收信号协方差矩阵第一主特征向量的Hadamard积构造空间谱，从而消除通道相位误差对测向结果的影响，然后利用解模糊操作得到无模糊的测向结果。本发明的效果不受通道相位误差的影响，具有较强的稳健性，保证了在通道相位误差条件下，此测向方法仍具有较高的估计精度，有助于实现单矢量传感器高精度测向技术的实用化。

对于三维矢量传感器，本发明的目标通过以下步骤实现：

本发明一种声矢量传感器测向方法，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。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。具体实现步骤包括：

(1)声矢量传感器输出为N个快拍数据r(n)，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)计算其中，diag(.)定义一个对角矩阵，对角元素为括号内的值；

(4)对进行特征分解得到第一个主特征向量v₁，即最大特征值对应的特征向量；并定义定义其中v₁(1)是特征向量v₁的第一个元素；其中，⊙为Hadamard积，即两个向量的每个元素对应相乘；

(5)通过搜索如下谱峰，可得到目标方位估计：

其中，I_M是M×M维的单位阵，是声矢量传感器在(θ，φ)方位的导向向量，θ∈[-π,π]是搜索水平方位角，φ∈[-π/2,π/2]是搜索俯仰角；

(6)对进行解模糊操作得到无模糊的目标方位估计值

步骤(6)的具体实现步骤包括：

(6.1)根据目标方位估计值得到M个通道的相位误差估计如下：

其中,Θ表示两个向量的每个元素对应相除；

其中，angle{·}为取角度操作。

(6.2)无模糊的方位估计值如下：

其中，x(i)表示向量x的第i个元素；

无模糊的通道相位误差估计为：

优选的，当探测目标的俯仰角φ₁已知时，通过搜索下面空间谱的谱峰位置，估计目标的水平方位角：

当探测目标的水平方位角θ₁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：

对于二维矢量传感器，本发明的目标通过以下步骤实现：

本发明公开了一种稳健的高精度声矢量传感器测向方法，所述的声矢量传感器由声压传感器和两个振速传感器空间共点组成，其中两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方向的三个振速分量。设其中， 分别为声压传感器和两个振速传感器接收到的海洋环境噪声功率。具体实现步骤包括：

(1)声矢量传感器输出为N个快拍数据r(n)，r(n)是一个M×1的向量，M＝3,n＝1,...,N；

(2)根据N个快拍数据估计协方差矩阵

(3)计算其中，diag(.)定义一个对角矩阵，对角元素为括号内的值；

(4)对进行特征分解得到第一个主特征向量v₁，即最大特征值对应的特征向量；并定义定义其中v₁(1)是特征向量v₁的第一个元素；

(5)通过搜索如下谱峰，可得到目标水平方位角估计：

其中，φ₁为已知目标俯仰角， 是声矢量传感器在(θ，φ₁)方位的导向向量，θ∈[-π,π]是搜索水平方位角；

(6)对进行解模糊操作得到无模糊的目标方位估计值

步骤(6)的具体实现步骤包括：

(6.1)根据目标水平方位估计值得到M个通道的相位误差估计如下：

其中,Θ表示两个向量的每个元素对应相除；

其中，angle{·}为取角度操作。

(6.2)无模糊的水平方位估计值如下：

其中，x(i)表示向量x的第i个元素；

无模糊的通道相位误差估计为：

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 (5)

1.一种声矢量传感器测向方法，其特征在于：所述的声矢量传感器由声压传感器和振速传感器空间共点组成，其中，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振速分量，所述测向方法包括以下步骤：

步骤1：声矢量传感器输出为N个快拍的向量r(n),n＝1,...,N；

步骤2：根据N个快拍数据估计协方差矩阵

步骤3：计算其中C为噪声功率一致化矩阵；

步骤4：对进行特征分解得到第一个主特征向量v₁；并定义其中v₁(1)是v₁的第一个元素；其中⊙为哈达马积，即两个向量的每个元素对应相乘；

步骤5：根据v₂构造空间谱得到目标方位估计值；

步骤6：对估计目标方位值进行解模糊操作得到无模糊的目标方位估计值。

2.根据权利要求1所述的一种声矢量传感器测向方法，其特征在于，步骤3中的噪声功率一致化矩阵C具体为：

当声矢量传感器为三维声矢量传感器时，其中，diag(.)定义一个对角矩阵，对角元素为括号内的值； 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；

当声矢量传感器为二维声矢量传感器，其中 分别为声压传感器和二个振速传感器接收到的海洋环境噪声功率。

3.根据权利要求1所述的一种声矢量传感器测向方法，其特征在于：步骤5的具体实现为：

当声矢量传感器为三维声矢量传感器时，目标方位估计值满足：

其中，I_M是M×M维的单位阵，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)方位的导向向量，θ∈[-π,π]是搜索水平方位角，φ∈[-π/2,π/2]是搜索俯仰角；

当探测目标的俯仰角已知时，估计目标水平方位角满足：

当探测目标的水平方位角已知时，估计目标俯仰角满足：

当声矢量传感器为二维声矢量传感器时，目标方位估计值满足：

其中，φ₁为已知目标俯仰角，u(θ，φ₁)＝[1，cos(θ)cos(φ₁)，sin(θ)cos(φ₁)]^T是声矢量传感器在(θ，φ₁)方位的导向向量。

4.根据权利要求1所述的一种声矢量传感器测向方法，其特征在于：

当声矢量传感器为三维声矢量传感器时，步骤6的具体实现步骤包括：

6.1根据目标方位估计值得到通道相位误差估计如下：

其中，Θ表示两个向量的每个元素对应相除，angle{·}为取角度操作；

6.2无模糊的目标方位估计值满足：

其中，x(i)表示向量x的第i个元素；

当声矢量传感器为二维声矢量传感器时，步骤6的具体实现步骤包括：

6.1根据目标方位估计值得到M个通道的相位误差估计如下：

其中，Θ表示两个向量的每个元素对应相除，angle{·}为取角度操作；

6.2无模糊的目标方位估计值满足：

5.根据权利要求1所述的一种声矢量传感器测向方法，其特征在于：

当声矢量传感器为三维声矢量传感器时，无模糊的通道相位误差估计为：

当声矢量传感器为二维声矢量传感器时，无模糊的通道相位误差估计为：