[发明专利]一种基于矢量水听器的相干声源定位方法

说明书

本发明公开了一种基于矢量水听器的相干声源定位方法，使用矢量水听器阵列采集声源信号，并获得采集信号的协方差矩阵；利用互不重叠子阵列抽取数据的方法进行信号解相干；利用最小二乘方法估计解相干后协方差矩阵的信号子空间，根据矢量水听器阵列流型旋转不变特性进行求解，最终得到多个相干声源的二维DOA估计。本发明方法估计相干声源方位准确度高，易于实现，还能够有效克服方位模糊问题和相干声源彼此干扰问题。

技术领域

本发明涉及相干声源情况下矢量水听器阵列声源定位领域，具体为一种基于矢量水听器的相干声源定位方法。

背景技术

矢量水听器是由在水下声场中正交分布的两到三个振速水听器加上一个声压水听器组成。由于其比传统声压水听器优越的识别能力，矢量水听器阵列在水下信号处理中发挥了重要作用，并且在水下识别、海湾声学反演和水下通信(见文献：Song A,Abdi A,Badiey M,et al.Experimental Demonstration of Underwater AcousticCommunication by Vector Sensors[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2011,36(3):454-461.)等领域中得到了广泛的应用。在过去的十年中，许多基于矢量水听器的子空间技术被提出，例如MUSIC和ESPRIT，还有使用矢量水听器阵列来估计2D水下信号方位(见文献：He J,Liu Z.Efficient underwater two-dimensional coherent sourcelocalization with linear vector-hydrophone array[J].Signal Processing,2009,89(9):1715-1722.)。

以上所述方法均采用非相干信号，即信号协方差矩阵具有全秩。然而，这种假设在多路径传播或蓄意干扰而存在相干或者高度相关的情况下往往不适用。相干信号可以降低入射信号协方差矩阵的秩，从而严重降低技术的性能，无法正确估计声源的位置。因此，学者们针对声源相干问题进行了大量的研究并提出了如最大似然法、空间平滑技术和Toeplitz方法等解决方法。

为了用矢量水听器阵列处理相干信号，文献(Tao J,Chang W,Shi Y.Direction-finding of coherent sources via'particle-velocity-field smoothing'[J].IetRadar SonarNavigation,2008,2(2):127-134.)提出了通过数据相关矩阵的矢量平滑技术来恢复信号子空间的秩。然而，这种矢量平滑技术需要几何平面阵列或2D迭代搜索来估计入射信号的二维方向。文献(Liu S,Yang L,Xie Y,et al.2D DOA Estimation forCoherent Signals with Acoustic Vector-Sensor Array[J].Wireless PersonalCommunications,2017,95(2):1285-1297)提出了一种使用ESPRIT估计入射信号仰角，通过修正的阵列流型匹配得到相干信号的方位角的方法。该方法相对文献(Gu J F,Wei P,TaiH M.2-D direction-of-arrival estimation of coherent signals using cross-correlation matrix[J].Signal Processing,2008,88(1):75-85.)中的计算过程操作简便，定位更加准确。

上述方法都是分步计算，即先得到俯仰角再根据俯仰角求得方位角，进而得到相干声源的方位。由此可知，俯仰角的估计误差会影响方位角的准确估计，定位精度将受到了极大影响。

发明内容

本发明针对现有的矢量水听器对相干声源定位的不足，提出一种基于矢量水听器的相干声源定位方法，以解决谱峰搜索带来的计算量和分步估计带来的误差等问题。本发明适用于任意结构的矢量水听器阵列，能够实现角度估计自动配对。