一種改進(jìn)的聲矢量陣相干源doa估計(jì)算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及陣列信號處理領(lǐng)域，是一種改進(jìn)的聲矢量陣相干源D0A估計(jì)算法。該 算法可用于雷達(dá)、聲納等陣列信號處理方面提高相干源估計(jì)性能。
【背景技術(shù)】
[0002] 在陣列信號處理中，目標(biāo)的D0A估計(jì)一直都是研究的熱點(diǎn)，學(xué)者們提出的高分辨 方法如MUSIC、ESPRIT對相互獨(dú)立的多目標(biāo)具有良好的估計(jì)和分辨性能。但是，在水聲環(huán) 境中，由于界面或岸基邊界反射，往往存在多徑傳播，且水聲干擾器（如噪聲干擾器和聲誘 餌）發(fā)展迅速，故水聲測向系統(tǒng)往往處于相干源的環(huán)境中，相干源將導(dǎo)致陣列協(xié)方差矩陣 的秩嚴(yán)重虧損，使上述高分辨D0A估計(jì)方法失效。
[0003] 針對聲矢量相干源方位估計(jì)問題，文獻(xiàn)"Direction-findingofcoherent sourcesvia'partic1e_ve1ocity-fie1d-smoothing'(IETRadarSonar Navig，2008,2(2):127_134.)和文獻(xiàn)"VectorfieldsmoothingforDOAestimation ofcoherentunderwateracousticsignalsinpresenceofareflectingboundary，'（IEEE Sens.J.，2007, 8 (7) : 1152-1158.)提出了PVFS算法，并使用該方法解決了處于反射邊界條 件下的聲矢量陣相干源測向問題，PVFS算法在不損失陣列孔徑的前提下重構(gòu)了陣列的協(xié)方 差矩陣，所以，PVFS具有較高的相干源D0A估計(jì)性能，但在陣元足夠多的情況下，該算法最 多能夠分辨的相干源數(shù)為2p個（p為單個矢量水聽器的通道數(shù)）。
[0004] 文獻(xiàn)"基于改進(jìn)MUSIC算法的矢量水聽器陣列波達(dá)方向估計(jì)"（武漢理工大學(xué)學(xué)報 (交通科學(xué)與工程版），2009, 33(3) =2823-2828.)把MMUSIC算法直接運(yùn)用到聲矢量陣中，該 方法克服了相干源估計(jì)的左右舷模糊，但其最大的相干源分辨數(shù)目仍為2個。
[0005] 文獻(xiàn)"一種改進(jìn)的空間平滑算法"（電子與信息學(xué)報，2008, 30 (4) : 859-862.)提出 了聲矢量陣SS-PVFS算法，是在PVFS算法可以和空間平滑技術(shù)結(jié)合使用，即聲壓通道和每 個振速通道單獨(dú)進(jìn)行前后向空間平滑處理，然后再進(jìn)行PVFS處理。矢量陣SS-PVFS算法提 高了PVFS算法的解相干能力，進(jìn)一步提高了相干源方位估計(jì)的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于解決聲矢量相干源方位估計(jì)問題，提供一種改進(jìn)的聲矢量陣相 干源D0A估計(jì)算法（MPVFS)，大大增加了其分辨相干源的數(shù)目，提高了相干源D0A估計(jì)性能。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0008] 若M個聲矢量傳感器以間距d排列成線形陣列，放置于各向同性的均勻流體中，K 個波長為入的遠(yuǎn)場窄帶相干源以陣列軸線的法線為參考的ek(k= 1，2，...，K)方向入射 到該聲矢量陣，聲矢量陣t時刻的陣列輸出可表示為
式中，父(1:) = |^1(1:)，叉2(1:)，...，叉31"(1:)]1為31\1維向量 ；況(〇 = [?11'(0，《21'(0，...,《] /(0]7 為 3MX1 維零均值高斯白噪聲向量，nm(t) = [npm,nvxm，nvym]T;p=[pi,p2,...,pk]t為衰 落系數(shù)矢量； A( 0 ) = [av( 0av( 0 2),…，av( 0 K)]為聲矢量陣導(dǎo)向矢量，"，.咐卜七表 示Kron積，uk= [lcos0ksin0k]T為矢量水聽器單位響應(yīng)向量， a(Qk) = [1，6叉口(-」《15)，...，6叉口(-」(1-1)(015)]1為聲壓通道的導(dǎo)向矢量，wk=2：ndcos(9k)/入。
[0009] 若信號Sl (t)的功率為f，聲壓通道噪聲功率為則聲矢量陣列的輸出協(xié)方差矩 陣為
式中，Iv=diag(l，1/2, 1/2,. . .，1，1/2, 1/2)為聲矢量陣噪聲的歸一化協(xié)方差矩陣， 馬為相干源的協(xié)方差矩陣。
[0010]把接收到的陳列輸出分成3個子陣根據(jù)空間平滑思想進(jìn)行平滑處理，其具體過程 見文獻(xiàn) "Direction-findingofcoherentsourcesvia^particle-velocity-field-smoo thing，（IETRadarSonarNavig，2008, 2(2) :127_134.)和文獻(xiàn)"Vectorfieldsmoothing forD0Aestimationofcoherentunderwateracousticsignalsinpresence ofareflectingboundary"（IEEESens.J.，2007, 8(7) : 1152-1158.)，有文獻(xiàn)可知，故二維 平面情況下，當(dāng)M彡7時，前后向PVFS算法最多能夠分辨6個相干源。
[0011] 為進(jìn)一步增強(qiáng)聲矢量陣相干源D0A估計(jì)及分辨性能，對PVFS算法得到的協(xié)方差矩 陣進(jìn)行如下處理：
[0012] 上式表明，當(dāng)M彡14時，損失一個陣元孔徑的MPVFS算法和SS-PVFS算法最多能 夠分辨的相干源數(shù)目為12,相當(dāng)于PVFS算法的2倍。故MPVFS算法的性能要好于SS-PVFS算法。MSS-PVFS算法和SS-PVFS算法獲得的協(xié)方差矩陣中信號與噪聲的能量比是不相同 的，把信號協(xié)方差矩陣的跡與噪聲協(xié)方差矩陣的跡之比稱為信噪比因子A，A越大表示協(xié) 方差矩陣可獲得較高的信噪比增益，相應(yīng)的算法具有較好的性能。令A(yù),代表SS-PVFS算 法的信噪比因子，A2代表MPVFS算法的信噪比因子，則2種算法的信噪比因子可分別表示 為?
[0013]由上式可得A2>Ai，故MPVFS算法的性能要好于SS-PVFS算法。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0015] 圖2是本發(fā)明的相干源空間譜估計(jì)；
[0016] 圖3是本發(fā)明的方位估計(jì)的均方根誤差隨信噪比和快拍數(shù)的變化曲線；
[0017] 圖4是本發(fā)明的7個相干源情況下的空間譜估計(jì)；
【具體實(shí)施方式】 下面結(jié)合附圖1、圖、2圖3、圖4、，舉例對本發(fā)明做更為詳細(xì)的描述：
[0019] 若M個聲矢量傳感器以間距d排列成線形陣列，放置于各向同性的均勻流體中，K 個波長為入的遠(yuǎn)場窄帶相干源以陣列軸線的法線為參考的ek(k= 1，2，...，K)方向入射 到該聲矢量陣，聲矢量陣t時刻的陣列輸出可表示為 U)
式中，X(t) =[Xi(t)，x2 ⑴，…，x3M(t) ]T為 3MX1 維向量；卿)=〇((〇,<(，),…坊f為 3MX1 維零均值高斯白噪聲向量，nm(t) = [npm,nvxm，nvym]T;p=[ppk]t為衰落 系數(shù)矢量； A( 0 ) = [av( 0av( 0 2), ? ? ? ,av( 0K)]為聲矢量陣導(dǎo)向矢量，（消-）= ?* ，?表 示Kron積，uk= [lcos0ksin0k]T為矢量水聽器單位響應(yīng)向量， a(Qk) = [1，6叉口(-」《15)，...，6叉口(-」(1-1)(015)]1為聲壓通道的導(dǎo)向矢量，wk=2：ndcos(9k)/入。
[0020]若信號Sl(t)的功率為 <，聲壓通道噪聲功率為〇：，則聲矢量陣列的輸出協(xié)方差 矩陣為
(2) 式中，Iv=diag(l，1/2, 1/2,. . .，1，1/2, 1/2)為聲矢量陣噪聲的歸一化協(xié)方差矩陣， 式= 為相干源的協(xié)方差矩陣。
[0021] 利用PVFS算法把接收到的陣列輸出分成3個子陣，根據(jù)空間平滑思想進(jìn)行平滑處 理，其具體過程見文獻(xiàn)"Direction-findingofcoherentsourcesvia'particle-velocit y-field_smoothing，（IETRadarSonarNavig，2008, 2 (2): 127-134.)和文獻(xiàn)"Vectorfield smoothingforDOAestimationofcoherentunderwateracousticsignalsinpresence ofareflectingboundary"（IEEESens.J.，2007, 8(7) : 1152-1158.)，有文獻(xiàn)可知，故二維 平面情況下，當(dāng)M彡7時，前后向PVFS算法最多能夠分辨6個相干源，能夠分辨的相干源數(shù) 目不多。
[0022] 聲矢量陣SS-PVFS算法是在PVFS算法可以和空間平滑技術(shù)結(jié)合使用，即聲壓通道 和每個振速通道單獨(dú)進(jìn)行前后向空間平滑處理，然后再進(jìn)行PVFS處理。其具體過程見文獻(xiàn)
[0023] 為進(jìn)一步增強(qiáng)聲矢量陣相干源D0A估計(jì)及分辨性能，對PVFS算法得到的協(xié) 方差矩陣進(jìn)行如下處理：其中，待校正陣列為陣元數(shù)目為M的半波長均勻線陣，X(t) =[Xl(t)，x2(t)，…，xM(t)]T為MX1維觀測的數(shù)據(jù)向量，Ss(t)為功率為<的校正 源，N(t) = [n1(t)，n2(t)，...，nM(t