专利名称：近场声源定位方法
技术领域：
本发明涉及阵列信号处理技术领域，特别涉及ー种利用速度传感器阵列估计近场声源信号的DOA和信号源距离的近场声源定位方法。
背景技术：
水下声学矢量传感器由2 3个速度传感器外加ー个可选择的压カ传感器构成。速度传感器为正交导向，能够分别測量笛卡尔坐标系中的声波振速分量。在过去的几十年中，声学矢量传感器在理论和工程应用上都受到了广泛的重视，由声学矢量传感器构成的矢量阵列成为水下声源定位的重要工具，已经提出了许多有效的算法。但是这些算法主要 是针对远场信号，当信号源靠近阵列而位于其近场时，近场源需用球面波(而非平行波)描述波前，并采用菲涅尔(Fresnel)近似描述阵元之间的相位差，这使得许多远场源定位算法不再适用。针对近场源定位问题，即近场源距离和入射角的联合估计问题。其中，入射角也称为波达角(D0A)。国内外学者也提出了许多算法，例如最大似然算法、多维MUSIC算法和高阶ESPRIT算法等，这些算法要求多维參数捜索或者计算高阶统计量，有较高的运算量。为此，一些基于ニ阶统计量的近场源參数估计算法被提出。然而，这些近场源定位算法均要求阵元间隔必须小于四分之一波长，否则将会导致估计值的模糊问题。需要指出的是，对于大孔径阵列，信号源往往处于近场，因此研究孔径扩展阵列的近场信号源定位更有实际意义。

发明内容
本发明针对现有近场声源定位方法要求多维參数捜索或者高阶统计量计算，要求阵元间隔△必须小于1/4波长的缺点，提供了一种无需多维參数捜索或者高阶统计量计算，而只涉及ニ阶统计量，实现參数估计的自动配对，阵元间隔△无需限制在1/4波长范围内，并可以通过增加阵元间隔Λ扩增阵列孔径，提高參数估记精度的方法。为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案近场声源定位方法，用于估计近场声源信号的DOA和信号源距离，包括步骤A :设置均匀线性阵列，其中，所述均匀线性阵列由呈直线排列且间隔为Λ、数量为2Μ的阵元构成，所述阵元包括一对分别指向I轴和ζ轴的速度传感器，所述I轴为线性阵列所在的轴线，所述ζ轴垂直于I轴，所述近场声源位于y-ζ轴平面，所述速度传感器可用于接收近场声源信号并输出该近场声源信号的方位信息；步骤B :建立信号模型，具体步骤如下①通过速度传感器测得方位信息Cllljk = [sin Θ m k, cos Θ m；k]T (I),其中-Ji /2〈 Θ mjk ^ Ji/2表示第k个近场源信号相对第m个阵元的D0A，设定第O个阵元作为參考阵元，并令ck = Cchk和Qk=Qthk;
②解调到中频并抽样，第k个近场声源信号为\([email protected] ,其中Sk(t)表示信号的复幅度，Cok = 2 fk/fsamp, fsamp为采样频率，fk ^ fx(k^ I)为信号的载波频率；③第m个阵元上的接收信号可表示为一个2维矢量 ',(,) = YdIlSk (OejtvCmiejr^ + njt)(2 )，其中nm(t)表示高斯噪声矢量，Tm, k ~ Ykm+4)km2为第i·个信源在阵元m与参考阵元 0 之间的传播时延,其中 Y k = -2 A sin 0 k/ A k, (J)k= Ji A2Cos2 0 k/ A klk, X k 和 Ik 分别是第k个信号的波长和其到参考阵元的距离；④将式(2)矩阵的形式转换为z (t) =As (t) +w(t) (3),其中，2(/) =xTa (0, Xt1 xtm (t)f G C4mx1，s(t)=刚e卿,...， -(/>卿f，w(t)^[nlai_n(t),...,nT0 (0, f (0,.-, UO]r ； E {w (t:) wH (t2)} = 8 (t「t2) I4mx4m,A= [a1； . . . , aK] G C4mxk,a=，d...,bLJ K,k = c ,,keJtm-k(4).⑤定义lm，k表示第k个近场源信号和第m个阵元之间的距离，并有Ik= Ithk,获得
「n , mAsin(;r/2 —U — wA Cos^ijtA,, n ,Ik =-—-—~ = --T-—，m = -(M-I), . . . , -1,0,1, . . . , M (5)；
-0t) sm(H—)步骤C :计算DOA和信号源距离的无模糊估记，具体步骤如下①采集阵列的N个快拍矢量z (t)，t=l，. . .，N，估计协方差矩阵食=^1Z(I)Zh(t)/N，其中，+ ，通过特征值分解获得食=11,(^%....晨.)11广，其中￥k(k=l, ...，K)为6的K个大特征值，它们对应的特征矢量为Us的列向量；②根据子空间算法，存在一个非奇异矩阵T满足B=UsT,从而A=Us, J和AO=Us,2T，
即有
Ul1Us2 =TOT *(6)，其中Usa=Us(l 4M, K), Usa=Us (1+4M 8M，K)，f 表示左伪逆;③通过上述式(6)获得信号的频率估计=哗(巧)和波长估计疋=2Kcfo)kfs，以及Ujj、L\.，和f的估计；④依据步骤③获得导向矩阵的估计A == + U0TO-')/2 (7)⑤依据步骤④，结合式(4)和(I)的关系获得近场声源信号的DOA无模糊估计I = tair1 (bm k (I)/*,,,, (2))( 8 )，其中，4,1= ak (2m + 2 M -1: 2m + 2M) (m = _(M_1) , . . . , -1, 0, I, . . . , M ；k = I,...,K)；⑥结合i,. (BO)以及式(5)得到近场声源信号的信号源距离的无模糊估计
权利要求
1.一种近场声源定位方法，用于估计近场声源信号的DOA和信号源距离，包括 步骤A :设置均匀线性阵列， 其中，所述均匀线性阵列由呈直线排列且间隔为A、数量为2M的阵元构成，所述阵元包括一对分别指向I轴和z轴的速度传感器，所述I轴为线性阵列所在的轴线，所述z轴垂直于I轴，所述近场声源位于y_z轴平面，所述速度传感器可用于接收近场声源信号并输出该近场声源信号的方位信息； 步骤B :建立信号模型，具体步骤如下 ①通过速度传感器测得方位信息 cIIi, k = [sin 9 m,k，C0S 9 m,k]T⑴， 其中-31 /2〈 0 U < 31 /2表示第k个近场源信号相对第m个阵元的D0A，设定第0个阵元作为参考阵元，并令ck = Cchk和Qk=Qthk; ②解调到中频并抽样，第k个近场声源信号为4(/)#^，其中Sk(t)表示信号的复幅度，GJk = 2 fk/fsamp, fsamp为采样频率，fk ^ f! (k ^ I)为信号的载波频率； ③第m个阵元上的接收信号可表示为一个2维矢量
2.根据权利要求I所述的近场声源定位方法，其特征在于，所述阵元间隔△为大于近场声源波长、的1/4。
3.根据权利要求I所述的近场声源定位方法，其特征在于，所
全文摘要
本发明涉及阵列信号处理技术领域，公开了一种采用速度传感器阵列估计近场声源信号的DOA和信号源距离的近场声源定位方法。本发明的优点在于，无需计算高阶累计量，从而有较低的运算量，能够实现参数估计的自动配对，阵元间隔无需限制在1/4波长范围内，并可以通过增加阵元间隔扩增阵列孔径，从而提高算法的参数估计精度。
文档编号G01S5/18GK102736063SQ201210231988
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月6日 优先权日2012年7月6日
发明者刘兆霆 申请人:绍兴文理学院