论文研究-矢量水听器阵波束域MUSIC算法研究.pdf

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矢量水听器可同时拾取声压和振速信息,成阵后水听器间的相移信息量增大。基于矢量水听器阵的波束形成性能明显由于同条件下的声压水听器阵,但其空间分辨力依然受阵列物理空间的限制。已经有人研究了矢量水听器阵的高分辨谱估计方法(MUSIC算法),但属于对阵元域信号进行的直接处理,运算量较大。提出一种基于矢量水听器阵的波束域MUSIC算法(BMUSIC)。该算法首先将矢量水听器阵元的空间数据转换到波束空间,然后对转换后的数据再运用MUSIC算法。不但实现了降维处理,减小了运算量,而且可进一步抑制扫描扇面外的噪声。对BMUSIC算法进行了仿真并与常规MUSIC算法进行了比较。结果表明,该方法可得到与阵元域MU
王绪虎,陈万平,田坦:矢量水听器阵波束减 MUSIC算法研究 2009,45(15)149 统的输出。对于二维矢量水听器阵,相当于将M个矢量水听器 Estimate the doa with music and bmusic algorithm 0 接收的3M个信号转变成个波束的输出。当∏标源恰好位于某 BMUSIC 个波束的主极大方向时,可以获得最佳的方位估计效果。由于 MUSIC 目标源的方位事先未知,可以考虑将各个输出波束重叠50% 20 因此,可将声纳多波束系统与波束域MLSC算法结合起来,由 多波束系统完成对日标方位粗测;由波束域MLSC算法估计 系统完成对目标方位的精测,从而提高整个系统的定向性能。 波束域ⅥUSIC算法估计系统实现框图如图1所示。 00-80-60-40-20020406080100 M 图3SNR=10dB时空间谱图 仿真计算是利用Malb进行的。通过Malb,中的 波束空问变换 CPUTIME函数测得运算时间。8元矢量水听器阵常规 MUSIC 空间谱估计算法的运算时间为0.5195s,而相应形成8个波東 的波束域ⅥUSlC空间谱估计算法的运算时间为04053s。表 波東域MLSC算法DOA估计 明矢量阵波束域MUs方法确实有效地减少∫运算量。 图1矢量阵波束域 MUSIC算法示意图 从图2和图3中可以看出,矢量水听器阵MUSC和 BMUSIC空间谱伂计方法都具有较高的分辨率,都能分辨出相 3仿真研究 邻较近的2个目标。在低信噪比下, BMUSIC空间谱估计算法 对阵元间距为d=λ2的8元二维欠量水听器均匀线阵波仍然能够取得与常规 BMUSIC空间谱估计算法相媲美的分辨 東域MUs算法进行了仿真。假定存在两个等强度且相互独性能 立的窄带声源,水平方位角分别为26°34°,工作频率为f= 7kHx,接收机带宽为4=200H,采样频率/=40同时假定,各4结束语 个阵元接收到的噪声为球面眢向同性的高斯背景噪声,且佇号 矢量水听器由声压水听器和质点振速水听器复合而成,可 与噪声相互独立,各个阵元间的噪声也互不相关。仿真中按照以空间共点同步测量声压和质点振速提出的种基于矢量水 信号功率与矢量水听器滤波后输岀的带限噪声功率的比值来听器阵的波束域 MUSIC算法空间谱估计方法,与常规 MUSIC 定义信噪比。将8个基元24路输出全部用于波束形成相邻两算法相比较,在运算量大大降低的前提下,仍能得到与常规 波束重叠50%,共形成8个波束,再对其波束形成的输出利用MUsC算法相当的方位分辨能力。计算机仿真结果进一步证 MUSC算法进行处理。此时只需对8×8维的相关矩阵进行特明了该种方法的有效性。 征分解,而常规的MUSC算法则需要对24×24维的相关矩阵 进行特征分解,运算量大得多图2给出的是信噪比SNR=5dB参考文献 时,MUsC算法与 BMLSIC算法的输出结果。图3给出了 [1] Wong K T Beam patterns of an underwater acoustic vector hy SNR=10B时,两种方法的输出结果。 drophone located away from any reflecting houndary[jIF.E Jour- Estimate the Doa with MuSiC and BMUSIC Algorithm nal of Oceanic Engineering, 2002, 27: 628-637 0 [2 Wony K T, Zollowski M D.Self-Initialing MUSIC-based direction BMUSI MUSIC finding in underwater ac oustic particle velocily-lield beamspace[J] ieEE J of Oceanic Engineering, 2000, 25: 262-273 3张揽月.基于MUSC算法的矢量水听器阵源方位佔计肌哈尔滨工 程大学字报,2004(24):30-33 「4玉绪虎,田坦 MUSIC算法在矢量水听器阵中的应用研究肌海洋技 术,2006(25):82 40 5]吕钱湝欠量传感器阵列高分辨率方位估计技术研究J哈尔滨工 程大学学报,2004(25):440-445 100-80-60-40-20020406080100 Ange/°) 6王永良,陈辉,彭应宁,等空问谱估计理论与算法[M北京:清华大 图2SNR=5dB时空间谱图 学出版社,2004

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2019-09-06
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