[发明专利]一种基于空间稀疏约束的圆阵模态域方位估计方法

说明书

本发明涉及水声工程技术领域，具体涉及一种基于空间稀疏约束的圆阵模态域方位估计方法，是为了解决现有的模态域方位估计方法需要大量多快拍采样数据构造协方差矩阵，且需要对协方差矩阵求逆或特征值分解，算法执行效率较低的缺点而提出的，包括：获得均匀圆阵声压信号；构造相位模态域变换矩阵；将均匀圆阵接收到的声压信号通过相位模态域变换矩阵变换成相位模态域信号；将360°全空间方位离散化，并构造空域稀疏变换基；对均匀圆阵接收信号进行时域采样，构造相位模态域多快拍采样数据，采用l₁范数对多快拍稀疏信号进行优化求解；计算不同方位角度上的信号能量，绘制空间谱图，由最大谱峰位置得到目标方位。本发明适用于水声工程中的信号估计。

技术领域

本发明涉及水声工程技术领域，具体涉及一种基于空间稀疏约束的圆阵模态域方位估计方法。

背景技术

在阵列信号处理领域，空间目标定位技术备受广大研究学者关注，广泛应用于雷达、声纳、医学成像等国民经济及国防建设领域。在过去的几十年里，各式各样不同功能的阵型结构层出不穷，其中最简单实用的当属均匀线列阵(Uniform Linear Array：ULA)。以均匀线列阵为基础，许多经典的方位估计算法(例如，最大熵谱法(Maximum Entropy：ME)、最大似然法(Maximum Likelihood：ML)以及特征子空间法等)也孕育而生。然而，均匀线列阵仅能覆盖扫描水平180°范围内的方位角，并且当扫描角度临近端射角度时，扫描波束明显变宽。

相比之下，均匀圆阵(Uniform Circular Array：UCA)具有明显的优势：(1)能够对空间目标在水平范围内实现360°的全方位覆盖；(2)波束指向可任意调节且不改变波束形状。这些优点激发了广大专家学者在圆阵方位估计技术领域的浓厚兴趣，促进了该领域技术的长足发展。现阶段，该领域技术主要分为两大类：(1)传统阵列信号处理技术，该类技术直接处理阵元接收信号；(2)模态域阵列信号处理技术，该类技术基于相位模态的概念，先将阵元域信号转换成模态域信号再进行相应处理。然而，由于圆阵阵列流型不具有Vandermonde结构，许多线列阵算法无法直接移植到圆阵，这就限制了传统阵列信号处理技术在圆阵上的直接应用。相比之下，模态域处理技术有效地解决了该问题，近年来得到迅猛发展。

Meyer和Elko在2002年国际会议IEEE International Conference onAcoustics,Speech,and Signal Processing上发表的“A highly scalable sphericalmicrophone array based on an orthonormal decomposition of the soundfield”将麦克风阵列安装在刚性球体表面，提出基于球面谐波声场分解的模态域方位估计方法。Teutsch和Kellermann在2006年第120卷第5期Journal of the Acoustical Society ofAmerica上发表的“Acoustic source detection and localization based on wavefielddecomposition using circular microphone arrays”将麦克风阵列安装在刚性圆柱体表面，利用声场柱面波分解理论，提出一种多目标宽带声源方位估计方法。杨德森等人在2014年第39卷第1期声学学报上发表的“声矢量圆阵相位模态域目标方位估计”基于模态域变换思想，利用矢量水听器中声压振速联合处理的抗噪能力，结合MUSIC算法实现水下声源目标的高分辨方位估计。但上述圆阵模态域方位估计方法均需要大量多快拍采样数据构造协方差矩阵，且需要对协方差矩阵求逆或特征值分解，算法执行效率较低。此外，上述方法仅利用了阵列接收信号的时-空统计信息，没有利用空间信源与生俱来的空间稀疏性信息。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的模态域方位估计方法需要大量多快拍采样数据构造协方差矩阵，且需要对协方差矩阵求逆或特征值分解，算法执行效率较低，进而使得预测时间过长，准确率低的缺点，而提出一种基于空间稀疏约束的圆阵模态域方位估计方法，包括：