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专利号: 2017101718179
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:2023-07-21
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.近场源L型声矢量传感器阵列解模糊多参数估计方法,其特征在于:所述声矢量传感器阵列由M个等间隔布置于x轴上的阵元和M个等间隔布置于y轴上的阵元构成,坐标原点上的阵元两轴共用,阵元数量为2M-1个,x轴上阵元间的间距为dx,y轴上阵元间的间距为dy,所述阵元为由声压传感器及x轴、y轴和z轴方向的振速传感器组成的声矢量传感器,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,且dx>λmin/4,dy>λmin/4,λmin为入射声波信号的最小波长;

多参数估计方法的步骤如下:阵列接收K个不同频率的互不相关、窄带、随机平稳近场声波入射信号,步骤一、获取t时刻和t+ΔT时刻的接收信号矢量x1(t)和x2(t),N次同步采样得到接收数据矩阵Z1和Z2;

将分布于L型阵列的2M-1个声矢量传感器阵元构成接收天线阵列接收空间近场辐射源信号,通过模数采样模块在t时刻和t+ΔT时刻得到t时刻和t+ΔT时刻的接收信号矢量x1(t)和x2(t),延时时间ΔT小于奈奎斯特采样周期,分别N次同步采样得到(8M-4)×N接收数据矩阵Z1和Z2,并存储在系统内存中;t时刻和t+ΔT时刻的接收数据矩阵为x1(t)=B1S(t)+N1(t)和x2(t)=B2S(t)+N2(t),S(t)为入射信号声压强度矢量,B2是延时ΔT后信号阵列导向矢量,B2=B1Φ, 是延时矩阵,其中,diag(·)表示以行矩阵中的元素为对角线元素的对角矩阵,fk为第k个信号的频率,N1(t)和N2(t)分别是t时刻和t+ΔT时刻附加的高斯噪声;矩阵 是阵列导向矢量,为克罗内克积,bk=[vxk,vyk,vzk,pk]T为第k个信号的振速分量和声压强度标量构成的矢量,vxk=sinθkcosφk,vyk=sinθksinφk及vzk=cosθk分别是近场源信号在声矢量传感器x轴,y轴及z轴方向的振速分量, 是近场源信号在声压传感器的测量分量,ρ0是环境流体密度,c是声的传播速度,exp(·)表示以e为幂的指数运算,arctan(·)表示求反正切运算,λk为第k个信号的波长,rk为第k个信号与坐标原点阵元之间的距离;qk=[1 qyk qxk]T是第k个近场入射信号的阵列空域导向矢量,是x轴上除原点以外的M-1个传感器与原点处传感器之间的相位差构成的空域导向矢量, 是y轴上除

原点以外的M-1个传感器与原点处传感器之间的相位差构成的空域导向矢量,Ψmx,k=(ukxm+vkxm2)是第k个信号在x轴的第m个阵元和参考阵元间的相位差,Ψny,k=(ukyn+vkyn2)是第k个信号在y轴的第n个阵元和参考阵元间的相位差,且vkx=πd2(1-sin2θkcos2φk)/λkrk,ukx=-2π(dsinθkcosφk)/λk,vky=πd2(1-sin2θksin2φk)/λkrk,uky=-2π(dsinθksinφk)/λk,θk表示第k个信号的俯仰角,φk是第k个信号的方位角,其中,0≤θk≤π/2,0≤φk≤2π;

步骤二、将两组数据Z1和Z2构成全阵列接收数据Z,通过相关运算得到阵列导向矢量的估计值 延时ΔT后的阵列导向矢量估计值 和全数据阵列导向矢量估计值所述的求解阵列导向矢量的估计值 按如下步骤进行:

1)将两组接收数据矢量Z1和Z2构成全阵列接收数据 是全数据阵列导向矢量,N是全数据阵列噪声,S为入射信号声压强度采样后矩阵;

2)对矩阵Z进行操作获得自相关矩阵Rz=ZZH/N=BRsBH+σ2I,其中Rs=SSH/N为入射信号相关矩阵,[·]H为矩阵的转置复共轭操作,σ2为高斯白噪声的功率,I为单位矩阵;

3)对自相关矩阵Rz进行特征分解得到16M-8个特征值和16M-8个特征值所对应的特征矢量,取K个大特征值所对应的特征矢量组成信号子空间Es,根据子空间原理,存在K×K的非奇异矩阵T满足Es=BT,Es的前8M-4行元素组成信号子空间矩阵E1,Es的后8M-4行元素组成信号子空间矩阵E2, 是矩阵E1的伪逆矩阵;

4)对矩阵 进行特征分解,K个大特征值构成延时矩阵Φ的估计值 特征矢量构成矩阵T的估计 进而得到阵列导向矢量的估计值 和延时ΔT后的阵列导向矢量估计值 及全数据阵列导向矢量估计值

步骤三、由延时矩阵Φ的估计值 得到声波信号的频率估计值 将阵列导向矢量的估计值 分成x轴、y轴、z轴振速分量和声压强度子阵导向矢量,根据子阵导向矢量的旋转不变关系矩阵 和 得到方位角的粗略估计值 俯仰角的粗略估计值 以及声波信号距离的粗略估计值

由延时矩阵Φ的估计值 得到声波信号的频率估计值为 arg(·)表示取相位, 是 的第k列k行元素;对阵列导向矢量的估计值 进行分块处理其中, 和 分别是由2M-1个x轴、y轴、z轴振速分量和声压强度分量组成的子阵导向矢量,

和 是子阵间的旋转不变关系估计矩阵,

其中 由旋转不变关系矩阵 和 可得俯仰角的粗略估计值 和方位角的粗略估计值

由旋转不变关系矩阵为 得到距离的粗略估计值 其中,tan(·)表示求正切运算, 和 分别是矩阵 和 的第k列k行元素;

步骤四、利用步骤三得到的方位角、俯仰角和距离的粗略估计值确定L型阵列x轴和y轴方向相邻阵元间的相位差矩阵 和 的相位周期模糊数矢量估计值 和 根据得到的相位周期模糊数矢量估计值 和 消除二维到达角的模糊,利用相位差矩阵 和和相位周期模糊数矢量估计值 和 求出入射信号的方位角、俯仰角和距离的精确估计值;

所述的求解x轴和y轴方向相邻阵元间的相位差矩阵 和 的相位周期模糊数矢量估计值 和 按如下步骤进行:

(1)L型阵列x轴和y轴方向阵列空域导向矢量 和 的具有周期模糊相位差矩阵和 和

为x轴和y轴方向相邻阵元间的相位差估计矩阵,其中,和 分别表

示矢量 和 的第1到第M-1个元素, 和 分别表示矢量 和 的第2到第M个元素, 表示矢量 与 的对应元素相除,

表示矢量 与 的对应元素相除;

(2)L型阵列x轴和y轴方向相邻阵元间的相位差粗略估计矩阵 和其中,

W=2πd[W1 W2]/λk,

W1=[10,…,(2m-3)0,…,(2M-3)0]T,W2=d[1,…,(2m-3),…,(2M-3)]T,其中,10表示1的零次方,(2m-3)0表示2m-3的零次方,(2M-3)0表示2M-3的零次方;

(3)通过求解下述优化问题可得到矩阵 和 的相位周期模糊数矢量估计值:所述的求解入射信号的方位角和俯仰角的精确估计值,按如下步骤进行:(a)根据相位周期模糊数矢量估计值 和 得到相位精确估计矢量和 其中,

和 是信源的俯仰角、方位角和距离的精确估计值;

(b)根据相位精确估计矢量 和 估计x轴和y轴方向的精确无模糊的俯仰角估计值 方位角估计值 和距离估计

其中, 和 分别表示矩阵 的第1个

和第2个元素, 和 分别表示矩阵 的第1个和第2个元素;

前述步骤中的k=1,…,K,m=1,…,M,n=1,…,M,j是虚数单位。