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专利号: 201710171734X
申请人: 陕西理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2023-07-24
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.任意声矢量传感器阵列近场源ESPRIT参数估计方法,其特征在于:所述声矢量传感器阵列由M个空间任意分布的阵元构成,所述阵元是具有同步共点测量声压以及x轴、y轴和z轴方向振速分量的声矢量传感器,其中,阵元间隔与入射声波信号的波长和声源的距离之间满足近场条件;

任意声矢量传感器阵列近场源ESPRIT参数估计方法的步骤如下:阵列接收K个不同频率、互不相关窄带、随机平稳近场声源信号,K为入射声源信号的数量;

步骤一、M个空间任意分布的阵元构成空间任意阵接收近场信号,利用排布好的接收阵列获取数据,所有阵元同步采样一次的输出数据称为一次快拍数据,N次快拍数据构成阵列接收数据Z;

步骤二、计算数据相关矩阵,由数据相关矩阵获取信号子空间Us;

计算数据相关矩阵 其中,E[·]表示求平均,[·]H为矩阵

的转置复共轭操作,Rs=E[SSH]为入射信号相关矩阵,A=[a1,...,ak,...,aK]是阵列导向矢量,表示Keroneck积,arctan(·)表示求反正切运算,θk∈[0,π/2]是第k个信号的俯仰角,φk∈[0,2π]是第k个信号的方位角,rk是第k个信号到坐标原点的距离,ρ0是环境流体密度,c是声波传播速度,λk是第k个声波信号的波长,I是4M×4M的单位矩阵, 是高斯白噪声的功率,根据子空间理论对数据相关矩阵RZ进行特征分解,K个大特征值对应的特征矢量构成信号子空间Us,Us是4M×K的矩阵,q(θk,φk,rk)为M个传感器与坐标原点的相位差构成的空域导向矢量;

步骤三、通过信号子空间Us的分块运算获取子阵间的旋转不变关系矩阵

根据数据排列方式将信号子空间Us分成M×K的U1,U2,U3和U4四个子空间,即Us=[U1,U2,U3,U4]T,其中Us=AT,U1=A1T,U2=A2T,U3=A3T,U4=A4T,A就是步骤二中的阵列导向矢量矩阵,A1是x轴方向振速分量采样数据阵列导向矢量矩阵,A2是y轴方向振速分量采样数据阵列导向矢量矩阵,A3是z轴方向振速分量采样数据阵列导向矢量矩阵,A4是声压分量采样数据阵列导向矢量矩阵,T是阵列导向矢量和信号子空间之间的K×K的非奇异变换矩阵,可以得到Ψ1T1=Ω1T1,Ψ2T2=Ω2T2,Ψ3T3=Ω3T3,其中是矩阵U3的伪逆矩阵,A1=A3Ω1,A2=A3Ω2,A4=A3Ω3,Ω1是A1和A3间的旋转不变关系矩阵,Ω2是A2和A3间的旋转不变关系矩阵,Ω3是A4和A3间的旋转不变关系矩阵,对Ψ1,Ψ2,Ψ3分别进行特征分解,特征值构成Ω1,Ω2,Ω3的估计特征矢量构成T1,T2,T3的估计 声矢量传感器在空间上共点,所以各个子阵对应的空域导向矢量相同,即 构成相同的空间,但它们的列矢量的排列顺序不同,根据同一个列矢量与自身转置复共轭相乘是最大的原则其中,l≠k,将 按照 的顺序进行重排,

和 分别表示矩阵 和 的第k列, 表示矩阵 的第l列, 和 的对

角线元素分别按照 和 的顺序进行重排,重排后的旋转不变关系矩阵分别为其中, 是重排后的导向矢量矩阵A1和A3间的旋转不变关系矩阵估计值, 是重排后的导向矢量矩阵A2和A3间的旋转不变关系矩阵估计值, 是重排后的导向矢量矩阵A4和A3间的旋转不变关系矩阵估计值;

步骤四、利用旋转不变关系矩阵 估计信号的到达角和声源到坐标原点

的距离:

其中, 和 分别表示矩阵 和 的第k行第k列元素,

arg(·)表示取幅角,tan(·)和arctan(·)分别表示求正切和反正切运算;

前述步骤中的k=1,...,K,l=1,...,K,j表示虚数单位。