一种基于声矢量阵联合信息处理信源数估计方法

摘要

本发明属于阵列信号处理技术领域，具体涉及一种基于声矢量阵联合信息处理信源数估计方法。本发明以声矢量阵声压振速联合信息处理为基础，适用于水声环境低信噪比条件下，信源数估计算法不准确的问题。本发明采用声矢量阵声压振速联合信息处理进行信源数估计，针对观测方位固定时可能导致某些方位的信号由于空间滤波作用被滤除或削弱的问题，该方法可使所选协方差矩阵兼顾到各方位入射的信源，减小固定观测方位时空间滤波作用造成的影响。本发明利用声矢量阵方位扫描的优势，避免某一方向的信号因空间滤波而削弱，提升了传统信源数估计算法的性能。

说明书

技术领域

本发明属于阵列信号处理技术领域，具体涉及一种基于声矢量阵联合信息处理信源数估计方法。

背景技术

水声阵列信号处理是进行水下探测、识别、通信等的重要技术，其重要任务之一是估计目标方位。在以多重信号分类算法为代表的子空间类高分辨谱估计算法相继被提出，子空间类高分辨谱估计算法估计波达方向在水声工程领域拥有良好的前景。信源数目估计是高分辨子空间类谱估计算法进行方位估计的先决条件，因此信源数估计的研究是阵列信号处理中的重要研究方向之一。

基于雷达和声呐标量阵，主要分为基于特征值信息和基于特征向量信息两大类算法，以上信源数估计算法在低信噪比下性能较差，而在水声环境中，需要解决的问题是如何在低信噪比下进行信源数的准确估计。

白兴宇在“白兴宇,姜煜,赵春晖.基于声压振速联合处理的声矢量阵信源数检测与方位估计[J].声学学报(中文版),2008(01):56-61.”文章中了基于声压与振速互协方差矩阵的声矢量阵特征子空间方法，然后利用空时虚拟抽头处理，提出了一种基于特征向量的信源数检测与子空间划分准则。该方法采用声矢量阵PVc联合信息处理的方法，未能较好的抑制噪声，在低信噪比条件下，性能衰退，并且适用范围较窄，不能采用声矢量阵声压振速联合处理进行多种准则的信源数估计。

姚直象在“姚直象,姜可宇,郭瑞,陈亦刚.基于声压振速联合处理的矢量阵旋转不变子空间方位估计方法[J].北京理工大学学报,2012,32(05):513-516+521.”文章中利用声矢量阵采用声压振速联合处理进行盖式圆准则信源数估计，该方法采用声矢量阵声压振速(P+Vc)Vc联合信息处理，将引导方位角得到的多组接收信号协方差矩阵进行平均处理后进行盖式圆准则的信源数估计，该方法导致在某些观测方位下的噪声得到增强而抑制信号，未能发挥出矢量阵联合信息处理的抑制噪声的优势。

综上所述，现阶段缺乏一种低信噪比下进行水下信源数的准确估计，故将推广至声矢量阵声压振速联合信息处理特征投影法进行信源数估计算法。

发明内容

本发明的目的在于提供可在水声低信噪比下进行水下信源数的准确估计的一种基于声矢量阵联合信息处理信源数估计方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：

步骤1：利用二维声矢量水听器均匀线阵接收多个信源的远场平面波数据，获取阵元m声压通道输出分量p

其中，M为矢量水听器的声矢量阵列数量；K为入射声到矢量阵列上的空间信号数量；θ

步骤2：将各个阵元接收数据排列组合，得到声矢量水听器阵列声压通道的输出P(t)、振速x通道的输出V

步骤3：将振速x通道数据V

其中，

步骤4：在声矢量阵观测角度范围内按照均匀间隔引导方位角进行扫描；

步骤5：在每个方位引导方位角度下，构建声压振速联合处理的协方差矩阵R(

步骤6：对每个方位角构建的协方差矩阵按照其行和范数从大到小排列；

步骤7：取行和范数前25％对应的协方差矩阵进行相加，得到新的协方差矩阵R

步骤8：将R

步骤9：计算使

本发明的有益效果在于：

本发明提供了可在水声低信噪比下进行水下信源数的准确估计，将信源数估计算法推广至声矢量阵声压振速联合信息处理的一种基于声矢量阵联合信息处理信源数估计方法，该方法利用声矢量阵方位扫描的优势，避免某一方向的信号因空间滤波而削弱，提升了传统信源数估计算法的性能。本发明以声矢量阵声压振速联合信息处理为基础，适用于水声环境低信噪比条件下，信源数估计算法不准确的问题。本发明采用声矢量阵声压振速联合信息处理进行信源数估计，针对观测方位固定时可能导致某些方位的信号由于空间滤波作用被滤除或削弱的问题，该方法可使所选协方差矩阵兼顾到各方位入射的信源，减小固定观测方位时空间滤波作用造成的影响。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是声矢量水听器均匀线阵的接收信号示意图。

图3是本发明提出的方法和现有技术的方法在特征空间投影(Eigenvector SpaceProjection，ESP)信源数估计下信源数估计的准确率与信噪比的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提供了可在水声低信噪比下进行水下信源数的准确估计，将信源数估计算法推广至声矢量阵声压振速联合信息处理的一种基于声矢量阵联合信息处理信源数估计方法，该方法利用声矢量阵方位扫描的优势，避免某一方向的信号因空间滤波而削弱，提升了传统信源数估计算法的性能。

步骤1：首先利用二维声矢量水听器均匀线阵接收多个信源的远场平面波数据，M个矢量水听器的声矢量阵列，K个空间信号入射到该矢量阵列上，第k个空间信号s

n

步骤2：将各个阵元接收数据排列组合，得到声矢量水听器阵列声压通道P(t)、振速x通道V

步骤3：将振速x通道数据V

步骤4：在声矢量阵观测角度范围内按照均匀间隔引导方位角进行扫描；

步骤5：在每个方位引导方位角度下，构建声压振速联合处理的协方差矩阵：

步骤6：对每个方位角构建的协方差矩阵按照其行和范数从大到小排列；

步骤7：取行和范数前25％对应的协方差矩阵进行相加，得到新的协方差矩阵R

步骤8：将R

步骤9：特征空间投影(Eigenvector Space Projection，ESP)算法利用如下关系式进行判别

本发明与已有信源数估计方法相比，具有以下有益效果：

第一，本发明以声矢量阵声压振速联合信息处理为基础，适用于水声环境低信噪比条件下，信源数估计算法不准确的问题。

第二，本发明采用声矢量阵声压振速联合信息处理进行信源数估计，针对观测方位固定时可能导致某些方位的信号由于空间滤波作用被滤除或削弱的问题，该方法可使所选协方差矩阵兼顾到各方位入射的信源，减小固定观测方位时空间滤波作用造成的影响。

实施例1：

下面采用本发明提出的方法与现有的方法进行仿真计算，仿真条件再计算机上利用MATLAB计算，仿真环境具体参数如下：

阵列性质：二维声矢量水听器阵列；

阵元数目：8；

阵元间距：信号入射波长的一半；

信号源数目：3个；

信号源性质：相互独立信号；

信号源入射角度：(15°,30°,60°)

快拍数：1000；

信噪比：-20～10dB；

实验内容和结果：

实验1：采用本发明方法采用特征空间投影进行信源数估计性能提升显著

(1)设置两个相互独立的等功率的窄带信号源，分别记为信源1、信源2，它们的中心频率为150Hz，入射角度分别为15°,30°,60°；阵列为8元声矢量均匀线阵，阵元间距取半波长，阵列的采样频率取10kHz，接收带宽为20Hz～1500Hz；设声矢量水听器阵的观测方位在[-60°,60°]间扫描。背景噪声为带限高斯白噪声，信噪比范围为-20dB到10dB，变化步长为1dB，快拍数取1000，在每个信噪比上进行500次Monte Carlo仿真。

图3是本发明提出的方法和现有技术的方法采用特征空间投影(EigenvectorSpace Projection，ESP)信源数估计的准确率与信噪比的关系。

现有方位采用姚直象在“姚直象,姜可宇,郭瑞,陈亦刚.基于声压振速联合处理的矢量阵旋转不变子空间方位估计方法[J].北京理工大学学报,2012,32(05):513-516+521.”文章中提出的方法。

参照图3，本发明提出的方法和现有技术的方法采用特征空间投影(EigenvectorSpace Projection，ESP)信源数估计的准确率与信噪比的关系，从图中可以看出，在相同信噪比下，本发明的方法信源数检测的成功概率远远高于其他两种方法，信噪比在-13dB时，本发明方法检测成功概率完全趋近于1，本发明方法在低信噪比表现优异。本发明提出的方法明显优于现有的方法与采用声压信息处理的方法，对信源数目估计成功概率提升显著。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。