一種基于單矢量水聽器的相干信號源方位估計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于基陣信號處理領域。尤其涉及一種基于單矢量水聽器的相干信號源方 位估計方法。
【背景技術】
[0002] 與聲壓水聽器相比，矢量水聽器可以同時、共點測量聲場的聲壓與振速，獲得更多 的聲場信息，依靠單個矢量水聽器就可以完成水下目標的方位估計，且不存在多值模糊的 問題。因此在許多安裝空間有限的應用場所，采取單只矢量水聽器作為聲吶的接收器，是目 前水聲領域比較流行而且非常實用的工程應用方式。
[0003] 相干信號源的估計問題始終是空間譜估計中的研究熱點問題。對聲壓陣或聲矢量 陣而言，當信號源完全相干時，陣列接收的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的秩降為1，這會導致某些相干 源的導向矢量與噪聲子空間不完全正交，從而導致常規(guī)的MUSIC算法無法正確估計信號源 方位；而對單只矢量水聽器而言，當信號源完全相干時，兩個相干信號的方向矢量會合并為 一個，常規(guī)的空間譜估計方法估計出的信號方位為合成的信號方位，不能正確估計兩個相 干信號源的方位。因此，在相干信號源情況下正確估計信號方向的關鍵問題，一方面是如何 通過預處理使得信號協(xié)方差矩陣的秩得到有效恢復，從而正確估計信號源的方向；另一方 面是如何通過預處理將相干信號源分開，再對其進行方位估計。目前關于解相干的處理主 要是通過恢復協(xié)方差矩陣的秩實現(xiàn)的，基本有兩大類：一類是降維處理，如基于空間平滑、 基于矩陣重構(gòu)兩類算法，這類算法的解相干性能是通過降低自由度換取的，不適合單只矢 量水聽器相干信號源方位估計；另一類是非降維處理，主要有頻域平滑算法、Toeplitz方 法、虛擬陣列變換法等。這類算法與降維算法相比最大的優(yōu)點在于陣列的自由度不變，但這 類算法往往針對的是特定環(huán)境，也不適合單只矢量水聽器相干信號源方位估計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種操作方法簡單、效率高的，基于單矢量水聽器的相干信 號源方位估計方法。
[0005] -種基于單矢量水聽器的相干信號源方位估計方法，包括以下步驟，
[0006] 步驟一：確定聲壓P通道、振速Vx通道和振速Vy通道中兩個相干信號的加權矩陣 T，根據(jù)加權矩陣T將接收數(shù)據(jù)X(t)分成兩個子信號X1U)和X2(t)，其中X1U) =TX(t);
[0007] 步驟二：確定子信號的MUSIC譜為目標函數(shù)，子信號的MUSIC譜為：
[0008]
[0009] 其中：
，是第 i個水聲信號源在單只矢量水聽器上的方向矢量，i < 2，各和^為搜索角度，I是搜索到 的兩個相干信號的幅度比，[^是對原始接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣進行特征分解得到噪聲子空 間；
[0010] 步驟三：根據(jù)目標函數(shù)進行最優(yōu)搜索，找到目標函數(shù)最大值對應的搜索角度h和 仏，即為兩個相干信號源的入射角度Θ JP Θ 2。
[0011] 本發(fā)明一種基于單矢量水聽器的相干信號源方位估計方法，還可以包括：
[0012] 1、目標函數(shù)進行最優(yōu)搜索的過程為：
[0013] (1)確定搜索范圍》e(3min;max) Je(Hax),并設置初始參數(shù)(Hi),根 據(jù)初始參數(shù)對接收數(shù)據(jù)進行分解得到子信號X1 (t)，進而求出初始參數(shù)條件下的目標函數(shù) 值，定義該目標函數(shù)值為最大值，并將初始參數(shù)值定義為估計到的參數(shù)值，BP
[0014]
[0015]
[0016] (2)重置參數(shù)(?2、$),求出在新的參數(shù)條件下的目標函藝
[0017] (3)比較f_和的大小，將其中大的一個定義為新的目標函數(shù)的最大值，并將 其對應的參數(shù)定義為新的估計到的參數(shù)值，BP :
[0018] fmax= max (f nax, fnew)
[0019] < θ 1; Θ 2, k> = < θ 1; Θ 2, k> I max (fnax, fnew)
[0020] (4)重復步驟（2)~（3)，直到將搜索范圍內(nèi)的所有參數(shù)全部搜索完畢。
[0021] 有益效果：
[0022] 本發(fā)明不同于傳統(tǒng)的通過恢復信號協(xié)方差矩陣的秩來實現(xiàn)解相干的算法，本發(fā)明 方法提出了單只矢量水聽器三個通道中兩個相干信號的加權矩陣，根據(jù)加權矩陣實現(xiàn)接收 數(shù)據(jù)中兩個相干信號的分解，解決了單只矢量水聽器兩個相干信號源條件下，信號方位合 并為一個的問題，實現(xiàn)了單只矢量水聽器兩個相干信號源的方位估計。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0025] 本發(fā)明方法從另一方面考慮，不同于傳統(tǒng)的通過恢復信號協(xié)方差矩陣的秩來實現(xiàn) 解相干的算法，而是從接收數(shù)據(jù)入手，先確定三個通道中兩個相干信號的加權矩陣，根據(jù)加 權矩陣將接收信號分解成兩個子信號，再對其中一個子信號進行信號協(xié)方差矩陣的構(gòu)造和 方位估計。由于兩個相干信號的加權矩陣包含了兩個信號的方位信息，因此可實現(xiàn)兩個相 干信號源的方位估計。
[0026] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0027] 步驟Sl :確定三個通道中兩個相干信號的加權矩陣，根據(jù)加權矩陣將接收信號分 解成兩個子信號；
[0028] 步驟S2 :確定子信號的MUSIC譜為目標函數(shù)；
[0029] 步驟S3 :根據(jù)目標函數(shù)進行最優(yōu)搜索，確定兩個相干信號源的方位角；
[0030] 本發(fā)明的核心技術在于提出了三個通道中兩個相干信號的加權矩陣，并根據(jù)加權 矩陣將接收信號分解成兩個子信號。兩個相干信號的加權矩陣包含了兩個相干信號的方位 角和兩個相干信號的幅度比，當搜索的角度I1和A分別等于兩個相干信號源的方位角Θ i 和Θ 2，且搜索到的兩個相干信號的幅度比^等于真實的兩個相干信號的幅度比k時，則實 現(xiàn)對接收數(shù)據(jù)中兩個相干信號源的正確分解，進而子信號的MUSIC譜會產(chǎn)生一個最大值。 因此定義子信號的MUSIC譜為目標函數(shù)，找出目標函數(shù)最大值點對應的兩個搜索角度即為 兩個相干信號源的方位角。
[0031] 下面將結(jié)合附圖1對本發(fā)明加以詳細說明：
[0032] 步驟Sl :兩個相干信號源Sl(t)、s2(t)，分別從不同角度Θ i、Θ 2入射到