[发明专利]一种单矢量传感器增秩MUSIC测向技术

说明书

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。

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