矢量水听器阵列MUSIC估计算法研究

矢量水听器由声压传感器和质点振速传感器复合而成,可以空间共点、同步测量声压和质点振速的各正交分量.采用矢量水听器均匀线阵研究了利用MUSIC算法对声源进行方位估计,对该算法进行了理论推导,并对数据协方差矩阵进行本征分解,获得了信号的空间谱估计.通过几个仿真对比试验,得出了该算法在多种条件下的高分辨方位估计性能.仿真结果表明,在SNR=10dB条件下,相对于常规波

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第3 O卷第 4期 20年 8 06月

武汉理工大学学报詈袭 ) (至差J u n l fW u a iest fTe h oo y o r a h n Unv r i o c n l g o y ( a so tt nS i c E gn eig Trnp rai c n e& n ier ) o e n

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矢量水听器阵列 MUSC估计算法研究 * I周浩顾晓东蒋兴舟 (军工程大学兵器工程系武汉海 403) 30 3

摘要：矢量水听器由声压传感器和质点振速传感器复合而成，以空间共点、可同步测量声压和质点振速的各正交分量.采用矢量水听器均匀线阵研究了利用 MUSC算法对声源进行方位估计，该 I对算法进行了理论推导，并对数据协方差矩阵进行本征分解，获得了信号的空间谱估计.通过几个仿真对比试验，得出了该算法在多种条件下的高分辨方位估计性能.仿真结果表明， S在 NR一1 B 0d 条件下，相对于常规波束形成器输出， MUSC空间谱的主波束宽度锐化了1 .。旁瓣降低了2 B I 2 6, 2 d左右，利用该算法可提高对信号源的定向精度及对多目标的分辨能力. 关键词： MUSC算法；量水听器； I矢空间谱；方位估计中图法分类号： 2 2 TP 1

0引

言

通常要求同时对所有感兴趣的参数进行搜索，如极大似然法，这就会使计算量大大增加.空间谱分析方法是指构造一个以空间方位为参数的谱函 数，并根据谱函数输出的峰值得到目标的波达方向的估计[. 3这类方法基本上又可分为两大类：]一

声波波达方向( DOA)估计是水声信号处理的重要内容之一.内的有关研究起步较晚，国哈尔滨工程大学，国科学院声学所以及 7 5所自 2 中 1 0

世纪 8代初开始了声矢量传感器研制工作并 0年取得了积极的成果，制成功了二维和三维同振研式声矢量传感器 .从公开发表的文献资料可知，国内外对矢量水听器的研究主要集中在被动 DOA

类是将其与常规波束形成法相结合，靠预成多依波束来实现.由于常规波束受到角度分辨瑞利准则的约束，因此也具有一定的局限性；另一类方法是将其与高分辨率方位估计

法相结合，其典型的算法如 MUS C算法， I一种基于子空间分解的空

估计方面，于阵列协方差矩阵分解的高分辨方基位算法是在2 0世纪 7 0年代末期从 Psrn o谐波 i ek a分析方法的基础上发展起来的， Wo g和 M K T n D Z l ws i 1 9 ot k于 9 7年发表了基于电磁矢量传感 o

间谱分析算法 L. 4]本文研究了利用矢量水听器等间距均匀线阵采用 MUSC算法对目标进行方位估计，将计 I并

器和水声质点振速水听器的自初始化 MUSC算 I法， 99年又将求根 MUSC算法引入均匀矢量 19 I速度器阵列[.类方法研究不仅明显地提高矢 1这]量水听器阵列在低信噪比时波达方向估计中的分辨性能，且一定程度上减轻相关运算负荷.而 近年来，运用矢量水听器阵进行波达方向在 方位估计方面，内外已经做了不少工作 L,国 2这些]

算结果和常规波束形成以及Cao p n波束形成结果进行了比较，理论和仿真试验两方面说明了从MUSC算法的优越性. I

矢量水听器阵列输出模型设 K个窄带平面波信号通过一个空间各向同性，止的均匀的液体，射到有 M个矢量传静入感器的阵列上，感器在空间的位置矢量分别为传

工作基本上可以分成两大类：类是参数化的方一法，另外一类是基于空间谱的方法.数化的方法参收稿日期；0 6一 4— 6 2 0 O 2

周浩； .5岁，士生，男 3博主要研究领域为水声被动定位 。防重点实验室基金项目资助 (准号：1 4 OO J 18国批 5 44 6 1BlO )