基于声矢量传感器的近场源多参数估计

【摘要】无论在军事还是民用领域，声纳的应用范围都在日益扩大，而声矢量传感器作为声纳的核心部件正发挥着重要的作用。声矢量传感器能够同时测量空间一点处的声场压力信息和三维正交的质子振速信息，与传统的声压传感器相比，它能获取声信号更多信息，提高系统的性能。自声矢量传感器阵列的测量模型被建立以来，历经多年的发展，国内外已经涌现出了大量的研究成果。近年来，声矢量传感器的研究主要集中在对入射信号的波达方向(DOA)估计问题上，声源的位置定位根据入射声源与传感器接收阵列的距离分为远场和近场两种情况，现有的大多数算法主要针对远场的情况进行分析，针对近场声源的目标方位估计还鲜有研究，而在声纳、水声雷达和地震勘探等实际应用领域中入射声源信号往往是近场的。基于远场的声源位置估计方法在近场中将不再适用，因此研究近场声源的参数估计算法是很有必要的。本文应用声矢量传感器阵列对近场入射声源的位置定位问题展开研究，首先介绍了近场声源定位所需的基础知识，在建立声矢量传感器均匀线性阵列近场接收模型的基础上，提出了几个近场声源参数估计算法，包括：基于二阶统计量的声矢量传感器近场源参数估计方法，基于四阶累积量的声矢量传感器近场源参数估计方法和基于双四元数MUSIC的声矢量传感器近场源估计方法。基于二阶统计量的方法充分利用了信号子空间的旋转不变性结构，计算过程较为简单。基于四阶累计量的方法针对任意高斯噪声均具有较好的抑制能力。这两种方法都不需要谱峰搜索，能够直接给出角度和距离的闭式解。利用双四元数对声矢量传感器接收阵列建模与传统的矢量建模方法相比能够充分利用声矢量传感器本身具有的正交性，本文在建立双四元数近场接收模型的基础上，进一步采用MUSIC算法进行估计，该方法在低信噪比和较少快拍数的情况下均具有较高的估计精度，比传统的矢量MUSIC方法具有更好的优越性。本文还推导了均匀线性阵列的近场声源参数估计的CRB界，进一步证明了上述方法的有效性。理论分析和仿真实验证明，本文针对近场声源参数估计问题提出的几个算法均具有较好的估计性能，期待本文的研究有助于近场声源参数估计理论的发展和实际工程的应用。在今后的工作中，这些算法还有待于进一步优化，相关研究也需继续进行。
【作者】刘楠楠；
【导师】石要武；
【作者基本信息】吉林大学，控制工程，2014，硕士
【关键词】声矢量传感器；近场源；DOA；二阶统计量；双四元数MUSIC；

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