CN108919176A - 一种单矢量传感器增秩music测向技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单矢量传感器增秩MUSIC测向技术，属于传感器信号处理技术领域。MUSIC测向技术估计误差小，精度高，它要求声矢量传感器接收的海洋环境噪声的协方差矩阵为单位阵。在海洋环境噪声场中，声矢量传感器的声压通道和振速通道接收到的海洋环境噪声功率并不相等，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。本发明发现声矢量传感器的声压通道和振速通道接收到的环境噪声功率不一致性引起一个虚源。为保证目标导向矢量和噪声子空间的正交性，本发明把此虚源的导向矢量归于信号子空间而非噪声子空间。在较低信噪比下，本发明仍旧具有尖锐的空间谱峰和较小的估计误差。本发明可用于解决海洋环境噪声中对弱目标的被动测向问题。

Description

一种单矢量传感器增秩MUSIC测向技术

技术领域

本发明属于传感器信号处理技术领域，具体涉及一种单矢量传感器增秩MUSIC测向技术。

背景技术

声矢量传感器的声压通道和振速通道可共点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技术最初是由R.O.Schmidt(R.O.Schmidt.Multiple emitter location and signalparameter estimation[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation.1986,34(3),pp: 276-280)在无线电测向应用中提出。近几年，曾雄风等(曾雄飞，孙贵青，李宇，黄海宁.单矢量水听器的几种DOA估计方法[J].仪器仪表学报.2012,33(3):499-507)把MUSIC测向技术拓展到单个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噪声源，海洋环境噪声在声压通道和振速通道的功率并不相等，孙贵青等对此做了细致的理论分析和实验验证(孙贵青,杨德森,时胜国.基于矢量水听器的声压和质点振速的空间相关系数[J].声学学报.2003,28(6):509-513)。已有的MUSIC测向技术在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超分辨能力。本发明发现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会引起虚源，破坏了接收数据协方差矩阵的噪声子空间和目标导向矢量之间的正交性，从而使得MUSIC测向技术在低信噪比时无法获得应有的性能。本发明考虑了此虚源的影响，提出一种增秩MUSIC测向技术，增秩MUSIC测向技术在低信噪比时仍旧能获得尖锐的谱峰，角度估计误差较小。

发明内容

本发明的目的在于提供消除虚源影响，角度估计误差较小，解决了旁瓣高、主瓣胖难题的一种单矢量传感器增秩MUSIC测向技术。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

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。

一种单矢量传感器增秩MUSIC测向技术，包括以下步骤：

步骤一：声矢量传感器在海洋环境噪声场中接收一个远场信号，校准后的声矢量传感器的声压通道和振速通道之间不存在通道幅相误差。此时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。

步骤二：根据N个快拍数据估计协方差矩阵

步骤三：对协方差矩阵进行特征值分解其中γ_m是特征值，按降序排列， v_m是特征向量。

步骤四：在海洋环境噪声场中，声压通道和振速通道接收的海洋环境噪声功率不一致性导致虚源，虚拟源个数为1。此时，v₂应归入信号子空间，而噪声子空间由向量组{v₃,…,v_M} 扩展而成。

步骤五：利用{v₃,…,v_M}，构造噪声子空间投影矩阵

步骤六：通过搜索下面空间谱的谱峰位置，目标的角度估计如下：

其中，和分别是目标的方位角估计值和俯仰角估计值，S(θ，φ)＝u^H(θ，φ)P_nu(θ，φ)是空间谱，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。

空间谱S(θ，φ)在目标角度(θ₁,φ₁)和(-180+θ₁,-φ₁)附近存在两个谱峰，因此存在角度模糊。

步骤七：利用{v₂,…,v_M}，计算和利用MUSIC测向技术得到目标角度的粗估计如下：

根据消除的角度模糊。

本发明还可以包括：

步骤四还包括：

在各向同性噪声场条件下，声矢量传感器接收数据的协方差矩阵期望值为：

其中，u(θ₁，φ₁)＝[1，cos(θ₁)cos(φ₁)，sin(θ₁)cos(φ₁)，sin(φ₁)]^T是目标的导向矢量，是目标功率，是声压传感器的海洋环境噪声功率。 为振速传感器接收到的海洋环境噪声功率，I_M是M×M的单位阵，z₁＝[1,0,0,0]^T是虚源的导向矢量。在非各向同性噪声场条件下，虚拟源个数仍旧可以取为1。

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。

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：

此时，目标方位角的粗估计值如下：

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：

此时，目标俯仰角的粗估计值如下：

本发明的有益效果在于：

本发明发现声压通道和振速通道接收到的海洋环境噪声功率导致一个虚源，为消除此虚源的影响，提出了一种增秩MUSIC测向技术。增秩MUSIC测向技术把信号子空间的秩增加1，从而把虚源归入信号子空间，保证了噪声子空间和目标导向矢量的正交性。增秩MUSIC测向技术在低信噪比条件下，仍具有尖锐的谱峰和较高的估计精度。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、主瓣胖的难题。本发明主要应用于水下弱目标的被动探测。

附图说明

图1为增秩MUSIC测向技术流程图；

图2为增秩MUSIC测向技术的二维空间谱；

图3为MUSIC测向技术的二维空间谱；

图4为消声水池实验结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

实施例一：

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。

步骤一：声矢量传感器在海洋环境噪声场中接收一个远场信号，校准后的声矢量传感器的声压通道和振速通道之间不存在通道幅相误差。声矢量传感器输出为N个快拍数据r(n)， r(n)是M×1的向量，M＝4，n＝1,…,N。

步骤二：根据N个快拍数据估计协方差矩阵

步骤三：对协方差矩阵进行特征值分解其中γ_m是特征值，按降序排列， v_m是特征向量。

步骤四：在海洋环境噪声场中，声压通道和振速通道接收的海洋环境噪声功率不一致性导致虚源，虚拟源个数为1。此时，v₂应归入信号子空间，而噪声子空间由向量组{v₃,…,v_M}扩展而成。

步骤五：利用{v₃,…,v_M}，构造噪声子空间

步骤六：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，和分别是射源的方位角估计值和俯仰角估计值，S(θ，φ)＝u^H(θ，φ)P_nu(θ，φ)是空间谱，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]搜索俯仰角。

空间谱S(θ，φ)在目标角度(θ₁,φ₁)和(-180+θ₁,-φ₁)附近存在两个谱峰，因此存在角度模糊。

步骤七：利用MUSIC测向技术解除步骤六中的角度模糊。具体包括，利用{v₂,…,v_M}，计算和并粗估计目标的角度如下：

根据消除的角度模糊。

声矢量传感器增秩MUSIC测向技术，还包括：

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。

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：

此时，目标方位角的粗估计值如下：

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：

此时，目标俯仰角的粗估计值如下：

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。

仿真实例：

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。海洋环境噪声为各向同性噪声，此时η_x＝η_y＝η_z＝1/3，一个目标从(θ₁,φ₁)＝(40°,10°)入射到声矢量传感器，信噪比为-3 dB。图2为增秩MUSIC测向技术的空间谱，图3为传统MUSIC测向技术的空间谱。从图2可见，增秩MUSIC测向技术在(-180°+θ₁，-φ₁)附近存在角度模糊。根据图3所示，MUSIC测向技术所给出的峰值在(42.8°，10.6°)，根据此角度，我们可判断在图2中，(40.1°，9.9°)是目标的角度估计值，而(-140.8°，-11.6°)是角度模糊。比较图2和图3，可知MUSIC测向技术的旁瓣较高，主瓣很宽，而本发明增秩MUSIC测向技术的旁瓣很低，主瓣很窄。另外，从图2和图3 可知，本发明增秩MUSIC测向技术有较低的估计误差。

消声水池试验实例：

在哈尔滨工程大学消声水池开展声矢量目标方位角度估计实验。声矢量传感器由一个声压传感器和在水平面内相互正交的两个振速传感器组成。实验中目标声源发射单频信号，信号频率为2kHz，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4所示。比较MUSIC测向技术和增秩MUSIC测向技术可知，增秩MUSIC测向技术在135.8 度处的旁瓣对应真实的目标方位，而在-66.2度处的峰值是角度估计模糊。另外，MUSIC测向技术的旁瓣较高而且主瓣较宽，这是由于MUSIC测向技术没有考虑声矢量传感器声压通道和振速通道接收的海洋环境噪声功率不一致性造成的虚源。增秩MUSIC测向技术把此虚源归入信号子空间，从而保证了目标导向矢量和噪声子空间的正交性，得到较低旁瓣和较窄的主瓣。

实施例二：

一种单矢量传感器增秩MUSIC测向技术，包括以下步骤：

(1)声矢量传感器在海洋环境噪声场中接收一个远场信号，校准声矢量传感器使得声压通道和振速通道之间不存在通道幅相误差，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，N为正整数；

(2)根据N个快拍数据估计协方差矩阵

(3)对得到的协方差矩阵进行特征值分解其中γ_m是按降序排列的特征值，v_m是特征向量；

(4)在海洋环境噪声场中，声压通道和振速通道接收的海洋环境噪声功率不一致性导致虚源，虚拟源个数为1，将v₂归入信号子空间，噪声子空间由向量组{v₃,…,v_M}扩展而成；

(5)利用{v₃,…,v_M}，构造噪声子空间投影矩阵

(6)通过搜索空间谱的谱峰位置，目标的角度估计如下：

其中，和分别是目标的方位角估计值和俯仰角估计值，S(θ，φ)＝u^H(θ，φ)P_nu(θ，φ)是空间谱，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；

(7)利用{v₂,…,v_M}，计算和利用MUSIC测向技术得到目标角度的粗估计如下：

根据消除的角度模糊。

所述的步骤(4)具体包括：

(4.1)在各向同性噪声场条件下，声矢量传感器接收数据的协方差矩阵期望值为：

其中，u(θ₁，φ₁)＝[1，cos(θ₁)cos(φ₁)，sin(θ₁)cos(φ₁)，sin(φ₁)]^T是目标的导向矢量，是目标功率，是声压传感器的海洋环境噪声功率， 为振速传感器接收到的海洋环境噪声功率，I_M是M×M的单位阵，z₁＝[1,0,0,0]^T是虚源的导向矢量，在非各向同性噪声场条件下，虚拟源个数取为1；

(4.2)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，

(4.3)当目标的俯仰角已知时，设为φ₁，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：

此时，目标方位角的粗估计值如下：

(4.4)当目标的方位角已知时，设为θ₁，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：

此时，目标俯仰角的粗估计值如下：

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 (2)

1.一种单矢量传感器增秩MUSIC测向技术，其特征在于，包括以下步骤：

(1)声矢量传感器在海洋环境噪声场中接收一个远场信号，校准声矢量传感器使得声压通道和振速通道之间不存在通道幅相误差，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，N为正整数；

(2)根据N个快拍数据估计协方差矩阵

(3)对得到的协方差矩阵进行特征值分解其中γ_m是按降序排列的特征值，v_m是特征向量；

(4)在海洋环境噪声场中，声压通道和振速通道接收的海洋环境噪声功率不一致性导致虚源，虚拟源个数为1，将v₂归入信号子空间，噪声子空间由向量组{v₃,…,v_M}扩展而成；

(5)利用{v₃,…,v_M}，构造噪声子空间投影矩阵

(6)通过搜索空间谱的谱峰位置，目标的角度估计如下：

其中，和分别是目标的方位角估计值和俯仰角估计值，S(θ，φ)＝u^H(θ，φ)P_nu(θ，φ)是空间谱，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；

(7)利用{v₂,…,v_M}，计算和利用MUSIC测向技术得到目标角度的粗估计如下：

根据消除的角度模糊。

2.根据权利要求1所述的一种单矢量传感器增秩MUSIC测向技术，其特征在于，所述的步骤(4)具体包括：

(4.1)在各向同性噪声场条件下，声矢量传感器接收数据的协方差矩阵期望值为：

其中，u(θ₁，φ₁)＝[1，cos(θ₁)cos(φ₁)，sin(θ₁)cos(φ₁)，sin(φ₁)]^T是目标的导向矢量，是目标功率，是声压传感器的海洋环境噪声功率， 为振速传感器接收到的海洋环境噪声功率，I_M是M×M的单位阵，z₁＝[1,0,0,0]^T是虚源的导向矢量，在非各向同性噪声场条件下，虚拟源个数取为1；

(4.2)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，

(4.3)当目标的俯仰角已知时，设为φ₁，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：

此时，目标方位角的粗估计值如下：

(4.4)当目标的方位角已知时，设为θ₁，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：

此时，目标俯仰角的粗估计值如下：