一種基于聲矢量傳感器的機(jī)動(dòng)聲源方位估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于聲矢量傳感器的機(jī)動(dòng)聲源方位估計(jì)方法，屬于信號(hào)處理【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明首先估計(jì)空域噪聲協(xié)方差矩陣，通過(guò)噪聲白化方法固化最大能量定位方法中的加權(quán)參數(shù)，以避免最優(yōu)加權(quán)參數(shù)選擇的一維搜索過(guò)程，提高了最大能量定向算法的估計(jì)精度，然后結(jié)合最大能量定向估計(jì)子輸出和聲源勻速運(yùn)動(dòng)的先驗(yàn)信息，在極坐標(biāo)系下采用卡爾曼濾波技術(shù)進(jìn)一步提高機(jī)動(dòng)聲源的方位估計(jì)精度。通過(guò)理論分析和仿真研究，本發(fā)明的基于聲矢量傳感器的機(jī)動(dòng)聲源方位估計(jì)與跟蹤方法的估計(jì)精度優(yōu)于原最大能量定向方法，并且由于采用了卡爾曼濾波，本發(fā)明的均方角度誤差低于靜態(tài)聲源定位情況下的克拉美-羅下界。
【專利說(shuō)明】一種基于聲矢量傳感器的機(jī)動(dòng)聲源方位估計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于聲矢量傳感器的機(jī)動(dòng)聲源方位估計(jì)方法，屬于信號(hào)處理技術(shù) 領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 在信號(hào)處理領(lǐng)域，波達(dá)方向（DirectionofArrival-DOA)估計(jì)是一個(gè)重要的研究 課題，在導(dǎo)航、目標(biāo)定位、波束形成方面都有著廣泛的應(yīng)用。1994年，Nehorai等將聲學(xué)矢 量傳感器接收信號(hào)模型引入信號(hào)處理領(lǐng)域后，有關(guān)聲學(xué)矢量傳感器信號(hào)處理即成為研究的 熱點(diǎn)問(wèn)題。與傳統(tǒng)聲壓傳感器僅感知聲壓信息相比，聲學(xué)矢量傳感器還可感知質(zhì)點(diǎn)振速，增 加了信息獲取量，有望獲得對(duì)聲源狀態(tài)更準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。因而引起國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注，并進(jìn) 行了初步探索，取得系列研究成果。具體而言，Nehorai等研究了基于聲學(xué)矢量傳感器陣列 D0A估計(jì)的CRLB;HawkeS等討論了聲學(xué)矢量傳感器陣列的幾何結(jié)構(gòu)和傳感器空間位置對(duì)參 數(shù)估計(jì)性能的影響；顧陳、何勁等提出一種基于傳播算子的聲學(xué)矢量傳感器陣列擴(kuò)展孔徑 二維D0A估計(jì)算法。陳華偉，趙俊渭將寬帶聚焦思想引入到了矢量傳感器陣寬帶處理，提 出了基于矢量傳感器陣的寬帶相干信號(hào)子空間最優(yōu)波束形成方法。此外，基于子空間的信 號(hào)處理方法也均被應(yīng)用到矢量傳感器應(yīng)用領(lǐng)域，如MUSIC算法以及ESPRIT算法。2011年 Levin等提出基于一種基于單一矢量傳感器的D0A估計(jì)方法，以期在空間非均勻高斯噪聲 環(huán)境中，通過(guò)加權(quán)最大能量梯度法估計(jì)聲源方位，由于其最優(yōu)權(quán)值需要通過(guò)一維搜索獲取， 該方法運(yùn)算量較高。
[0003] 上述D0A估計(jì)的研究大多是以靜止聲源為研究對(duì)象，然而在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì) 于D0A隨著時(shí)間變化的機(jī)動(dòng)聲源目標(biāo)，上述算法要重復(fù)對(duì)信號(hào)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解 或奇異值分解，運(yùn)算量極大，不能適用于實(shí)時(shí)性較高的D0A估計(jì)場(chǎng)合。因此，國(guó)內(nèi)外部分學(xué) 者嘗試應(yīng)用一些跟蹤方向的濾波算法到聲源定位與跟蹤領(lǐng)域，取得一定研究成果，但上述 研究多局限于聲壓傳感器陣，而基于矢量傳感器陣列的聲源定位與跟蹤方法研究較少。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于聲矢量傳感器的機(jī)動(dòng)聲源方位估計(jì)方法，以解決目 前聲矢量傳感器聲源定位研究技術(shù)大多針對(duì)靜止聲源，在估計(jì)機(jī)動(dòng)聲源方位時(shí)估計(jì)精度 低、運(yùn)算量大、不適合實(shí)時(shí)處理的問(wèn)題。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題而提供一種基于聲矢量傳感器的機(jī)動(dòng)聲源方位估計(jì) 方法，該方法的步驟如下：
[0006] 1)利用改進(jìn)最大能量梯度法獲取初始時(shí)刻聲源方向矢量<和k時(shí)刻聲源方向矢

【權(quán)利要求】
1. 一種基于聲矢量傳感器的機(jī)動(dòng)聲源方位估計(jì)方法，其特征在于，該方法的步驟如 下： 1) 利用改進(jìn)最大能量梯度法獲取初始時(shí)刻聲源方向矢量^和k時(shí)刻聲源方向矢量4; 2) 求出對(duì)應(yīng)極坐標(biāo)下的俯仰角與方位角&，初始狀態(tài)向量夏(O) = Pi ，同時(shí) 計(jì)算k時(shí)刻聲源方向矢量％對(duì)應(yīng)極坐標(biāo)下的俯仰角(?與方位角ft I 3) 根據(jù)卡爾曼濾波方法，獲取k時(shí)刻的狀態(tài)預(yù)測(cè)i(Jr，t-l)及其誤差協(xié)方差矩陣 P(k，k-1)， X(kJ -1) = *P{kJ - l)X(k -1) P(k, k-1) = 〇(k, k-l)P(k-l,k-l)〇(k, k-l)T + r (k-l)Q(k-l) r (k-1) T 其中，= 6 ￠7 為k時(shí)刻聲源目標(biāo)的狀態(tài)向量，0為聲源信號(hào)入射向量的俯 仰角，f:為聲源的方位角，O (k，k-i)為k-i時(shí)刻至k時(shí)刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，r (k-i)為系統(tǒng) 噪聲驅(qū)動(dòng)陣，w(k-l)為系統(tǒng)激勵(lì)噪聲序列； 4) 利用k時(shí)刻先驗(yàn)信息對(duì)以上預(yù)測(cè)信息進(jìn)行修正，從而得到k時(shí)刻波達(dá)方向估計(jì) 及其誤差協(xié)方差矩陣P (k，k): X{k,k) = X(k,k ^ I) + K(k)(Z(k) ^ HX(k. k ^ 1)) P(k, k) = P(k, k-l)-K(k)HP(k, k-1)
Z(k)為k時(shí)刻聲源方向矢量％對(duì)應(yīng)的極坐標(biāo)下的量測(cè)方程， K(k)為卡爾曼濾波器的增益。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲矢量傳感器的機(jī)動(dòng)聲源方位估計(jì)方法，其特征在于， 所述步驟1)中利用改進(jìn)最大能量梯度法獲取k時(shí)刻聲源方向矢量4的過(guò)程為： A. 根據(jù)非均勻噪聲協(xié)方差估計(jì)方法，估計(jì)入射聲信號(hào)的噪聲協(xié)方差矩陣
B. 將聲矢量傳感器的接收信號(hào)進(jìn)行預(yù)白化處理，得到預(yù)白化后的信號(hào) Yk(n),n = \X-",N
C. 根據(jù)預(yù)白化后的信號(hào)計(jì)算預(yù)白化后振速信號(hào)與聲壓信號(hào)的協(xié)方差陣Iv和振 速信號(hào)的協(xié)方差陣iw,
D.根據(jù)得到的振速信號(hào)與聲壓信號(hào)的協(xié)方差陣Iif和振速信號(hào)的協(xié)方差陣羞W計(jì)算A11 和％，
其中y為步長(zhǎng)參數(shù)，5為〇.5。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲矢量傳感器的機(jī)動(dòng)聲源方位估計(jì)方法，其特征在于， 所述步驟3)中涉及的聲源目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程可描述為： X(k) = O (k, k-l)X(k-l) + r (k-l)ff(k-l) 其中，;￥(l-) = p d -參]"為1^時(shí)刻聲源目標(biāo)的狀態(tài)向量；〇(k，k-l)為k-1時(shí)刻至k 時(shí)刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，r (k-1)為系統(tǒng)噪聲驅(qū)動(dòng)陣；W(k-1)為系統(tǒng)激勵(lì)噪聲序列。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲矢量傳感器的機(jī)動(dòng)聲源方位估計(jì)方法，其特征在于， 所述步驟1)得到的向量4對(duì)應(yīng)的極坐標(biāo)下的量測(cè)方程可以描述為：
【文檔編號(hào)】G01S3/802GK104330768SQ201410315852
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】侯云山, 金勇 , 翟紅村, 徐向藝, 李佩佩, 湯艷紅, 翟普杰 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)