一種基于聲矢量二維嵌套陣列的目標(biāo)測向方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于聲矢量二維嵌套陣列的目標(biāo)測向方法，用于水下目標(biāo)的方位 和俯仰測量。
【背景技術(shù)】
[0002] 聲矢量傳感器是由2個(gè)或3個(gè)相互正交的振速傳感器和1個(gè)可選擇的壓力傳感器 共點(diǎn)配置而成。與傳統(tǒng)的標(biāo)量陣相比，聲矢量陣能夠獲得目標(biāo)信號(hào)的更多信息，具有更高的 測向精度和分辨率，近十幾年已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。但是與標(biāo)量陣一樣，在基于二 階統(tǒng)計(jì)量的測向算法中，聲學(xué)矢量陣列測量的信號(hào)數(shù)必須小于陣元數(shù)。為進(jìn)一步擴(kuò)大天線 陣所測信號(hào)數(shù)和提高測向精度，常采用四階累積量構(gòu)造虛擬陣元，來提高陣列的自由度和 擴(kuò)大陣列的孔徑。然而，四階累積量的計(jì)算量隨標(biāo)量傳感器個(gè)數(shù)指數(shù)增長，運(yùn)對于聲矢量陣 更為不利，因?yàn)樗臉?biāo)量傳感器個(gè)數(shù)是陣元個(gè)數(shù)的3-4倍，運(yùn)使得聲學(xué)矢量陣輸出信號(hào)的 四階累積量的計(jì)算量更為龐大，難W應(yīng)用于實(shí)時(shí)處理。
[000引針對運(yùn)個(gè)問題，PiyaPal和P.P.Vaidyanathan提出了一種嵌套標(biāo)量線陣，它通過 系統(tǒng)嵌套兩個(gè)或多個(gè)陣元間距不同的標(biāo)量均勻線陣來獲得。運(yùn)種陣列的優(yōu)勢在于能夠利用 接收數(shù)據(jù)的自相關(guān)矩陣形成自由度為0 (妒）的差合成標(biāo)量線陣，而僅僅使用N個(gè)物理陣元。 此外，為充分利用運(yùn)些自由度，他們還建議了一種基于1維空間平滑的D0A估計(jì)算法，該算 法并不是把空間平滑應(yīng)用于去除信號(hào)的相關(guān)性，而是利用空間平滑算法構(gòu)造特殊的四階累 積量矩陣，形成差合成線陣接收信號(hào)的自相關(guān)矩陣的平方，經(jīng)開方后得到差合成線陣接收 信號(hào)的自相關(guān)矩陣，從而把四階累積量構(gòu)造虛擬陣的問題簡化為二階累積量構(gòu)造虛擬陣的 問題，運(yùn)無疑極大的減少了計(jì)算量。隨后，他們又將該方法擴(kuò)展到二維，利用兩個(gè)二維標(biāo)量 子陣構(gòu)造二維嵌套標(biāo)量陣，其中一個(gè)子陣的陣元分布于密集格子，另一個(gè)分布于稀疏格子， 且兩個(gè)子陣選擇自由，只要它們的生成矩陣由一個(gè)整數(shù)矩陣相關(guān)聯(lián)，同時(shí)該整數(shù)矩陣選擇 也無限制條件。類似地，利用二維空間平滑算法，得到陣元數(shù)為0(MN)的二維差合成標(biāo)量陣 的自相關(guān)矩陣，而僅采用M+N個(gè)物理陣元。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于聲矢量二維嵌套陣列的目標(biāo) 測向方法。
[0005] 本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施步驟如下：
[0006] 步驟1，采用聲矢量傳感器構(gòu)建一個(gè)聲矢量二維嵌套陣列，所述聲矢量二維嵌套陣 列包括兩個(gè)二維聲矢量子陣；
[0007] 步驟2,輸入包含目標(biāo)聲音信號(hào)的D個(gè)獨(dú)立窄帶遠(yuǎn)場聲音信號(hào)，輸入的聲音信號(hào)基 于不同的方位角和俯仰角入射到步驟1所述的聲矢量二維嵌套陣列，得到聲矢量二維嵌套 陣列的輸出信號(hào)；
[0008] 步驟3,將聲矢量二維嵌套陣列輸出信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)，得到自相關(guān)矩陣；
[000引步驟4,對自相關(guān)矩陣進(jìn)行向量化，得到向量z;
[0010] 步驟5,從向量Z中抽取相應(yīng)行，形成列向量Zi;
[0011] 步驟6,對向量Zi所對應(yīng)的差合成聲矢量陣進(jìn)行劃分；
[0012] 步驟7,基于步驟6的劃分抽取列向量Zi中相應(yīng)行，得到新的向量；
[001引步驟8,根據(jù)步驟7得到的向量，得到互相關(guān)矩陣；
[0014] 步驟9,對所有差合成聲矢量子陣接收目標(biāo)聲音信號(hào)的互相關(guān)矩陣進(jìn)行計(jì)算，得到 矩陣R，
[0015] 步驟10,將多重信號(hào)分類MUSIC算法應(yīng)用于矩陣按，進(jìn)行目標(biāo)方位角和俯仰角的 估計(jì)，完成目標(biāo)側(cè)向；
[0016] 步驟11，回到步驟2繼續(xù)開始接收信號(hào)進(jìn)行測向。
[0017] 其中，步驟1中所述兩個(gè)二維聲矢量子陣包括稀疏子陣和密集子陣；
[0018] 稀疏子陣，包含2MiM2個(gè)聲矢量傳感器，并按Mm定位于稀疏格子，其中M= diag{Mi，Mz}為2X2維的對角矩陣，Ml和M2為任意正整數(shù)，m為2X1維的整數(shù)向量，取所有 可能整數(shù)值；
[0019] 密集子陣，包含det任）=AiA,個(gè)聲矢量傳感器，并W化的形式分布于密集格 子，其中P=diag{>i，A,}為2X2維的對角矩陣，入1和A2為正整數(shù)，det('）表示矩 陣的行列式；N=diag機(jī)，成}為2X2維的對角矩陣，Ni和N2為正整數(shù)，其中矩陣M、P和 NS者滿足M=NP，即Ai、A2、Ni和N2取值需滿足該式；n為2X1維的整數(shù)向量且滿足 nGFPD任），F(xiàn)PD(巧表示矩陣P的基本晶格。
[0020] 步驟2中，用41和0 1分別表示第i個(gè)入射聲音信號(hào)的方位角和俯仰角，0《4 1 < 2 31，0《目1<JT，i= 1，…，D，D<M1M2N1N2,則傳感器個(gè)數(shù)為2M1M2+A1A2的聲矢量二 維嵌套陣列在t時(shí)刻輸出的信號(hào)y(t)為：
[0021]
[002引其[II，》'0) = [>'!-(,')，訪0]1-是（8M1M2+4入 1A2)X1 維向量，其中 y;鮮='權(quán)，膊.，…，.我的]'表示稀疏子陣的輸出信號(hào)，=隊(duì),1的，…，.趙(沖 表示密集子陣的輸出信號(hào)，（?）T表示矩陣轉(zhuǎn)置；S是稀疏英文的首寫，d是密集英文 的首寫，僅僅表示稀疏子陣的輸出和密集子陣的輸出；a=qoa=[啤.^；r0A是 (8M1M2+4A1A2)XD維矩陣，其中0表示Khatri-Rao積，Q為中間參數(shù)，等于[巧，巧]T;Qs =hsi，…，qJ是8M1M2XD維矩陣，表示稀疏子陣對D個(gè)入射信號(hào)的空間相位因子，其中 qw=fePw>'A，…，/"u'Tv…l"。/j'l表示稀疏子陣對第i個(gè)入射信號(hào)的空間相位因子，j= 巧表 示虛數(shù)，&= [sin0iCos^i,sin0iSin<l)i]T表示第i個(gè)入射信號(hào)的方向矢量，響表示稀 疏子陣第如，m2)個(gè)聲矢量傳感器的坐標(biāo)，1《叫《2M1，1《ni2《2M2,入1為第i個(gè)入射信 號(hào)波長；Qd=[qdi，…，QdD]是4A1A2XD維矩陣，表示密集子陣對D個(gè)入射信號(hào)的空間相位 因子，q,c 表示密集子陣對第i個(gè)入射信號(hào)的空間相位因子，vw; 表示密集子陣第（A1，A,)個(gè)聲矢量傳感器的坐標(biāo)；s(t)表示D個(gè)入射信號(hào)向量，n(t)的 維數(shù)為（8M1M2+4A1A2)X1，表示各陣元的接收噪聲向量，所述各陣元的接收噪聲為平穩(wěn)、 時(shí)間和空間都互不相關(guān)的高斯白噪聲，且與目標(biāo)信號(hào)相互獨(dú)立，A=[曰1，…，a。]是4XD維 矩陣，表示聲矢量傳感器對D個(gè)入射信號(hào)的導(dǎo)向矩陣，其中4X1維矢量曰1為聲矢量傳感器 對第i個(gè)入射信號(hào)的導(dǎo)向矢量，它表示為：
[0023]
[0024] 步驟3中所述自相關(guān)矩陣Ryy為：
[00巧]
[002引其中E{ ? }為統(tǒng)計(jì)平均，（?）H為矩陣的共輛轉(zhuǎn)置，技M=航巧{為，…，式。}為D個(gè) 入射信號(hào)的自相關(guān)矩陣，為第1個(gè)入射信號(hào)的功率，為聲矢量傳感器中單分量的接收 噪聲功率，典+4V;表示8M1M2+4A1A2維單位矩陣。
[0027] 步驟4中所述向量Z為：
[0028]
[002引式中，Vec{'}為矩陣向量化，表示矩陣的共輛，Qi= [qsi，qj，
(8M1M2+4A1入2)X1維是第i個(gè)元素為1、其余 元素為0的列向量，新的空間相位因子，是由兩個(gè)原空間相位因子合成，在指數(shù)上表 現(xiàn)為兩個(gè)聲矢量傳感器坐標(biāo)做差，合成新的聲矢量傳感器，稱運(yùn)種傳感器為差合成聲矢量 傳感器，其對第i個(gè)入射信號(hào)的導(dǎo)向矢量為。因此，向量2所對應(yīng)陣列為差合成聲矢 量陣。
[0030]步驟5中所述列向量Zi為[4X(2AlMl-l)X(2A2M2-l)]Xl維的列向量，它表示 為
[003。式中，Z康示由A1M1A2M2個(gè)差合成聲矢量傳感器組成的陣列，第化i，k2)個(gè) 差合成聲矢量傳感器的坐標(biāo)為N'比i，k2]T，ki<A爲(wèi)，-A2M2<k2<A2M2;
的第化1，k2)元素，它表示第（ki，k2)個(gè)差合成聲矢量傳感 器對第i個(gè)信號(hào)的空間相位因子，?是4個(gè)元素為1，其余元素為0的[4X(2AiMi-1)X(2A2M2-I)]X1