張 鍇

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第20研究所，西安 710068)

?

基于二元矢量陣的相干源分辨性能研究

張 鍇

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第20研究所，西安 710068)

相干源的存在使矢量陣的高分辨方位估計(jì)性能嚴(yán)重惡化。分析了單矢量傳感器的陣列流型，結(jié)合空間平滑算法的應(yīng)用條件，給出了基于二元矢量陣的最小方差無失真響應(yīng)(MVDR)和多重信號(hào)分類(MUSIC)解相干算法，研究了算法的性能。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)證明該算法可實(shí)現(xiàn)對(duì)相干源的到達(dá)方向(DOA)估計(jì)，在相同信噪比條件下，相較于MVDR算法、MUSIC算法具有更好的方位分辨力，受到相干源之間方位夾角的影響更小，而且對(duì)相干源之間的強(qiáng)度差異不敏感。

二元矢量陣；相干源；最小方差無失真響應(yīng)；到達(dá)方向估計(jì)

0 引 言

矢量傳感器可以同時(shí)、共點(diǎn)地拾取空間的聲壓與振速信息，其工程應(yīng)用也受到了越來越多的關(guān)注。M.Hawkes和A.Nehorai首先把最小方差無失真響應(yīng)(MVDR)波束形成的思想擴(kuò)展到聲矢量陣，使陣列具有了左右舷分辨的能力[1]。K.T.Wong和M.D.Zoltowski提出了速度場(chǎng)波束域自初始化多重信號(hào)分類(MUSIC)方法[2]，從而使矢量傳感器和高分辨率方位估計(jì)結(jié)合的研究迅速展開[3-4]。

通常情況下，較大的陣列尺度是陣列實(shí)現(xiàn)高分辨率的關(guān)鍵因素，可是水下平臺(tái)往往體積有限，使得水下設(shè)備往往不能有大的基陣尺度，同時(shí)，水下干擾源復(fù)雜，往往需要在多干擾的低信噪比環(huán)境中對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和跟蹤，尤其相干源的存在更是導(dǎo)致了高分辨方位估計(jì)性能的嚴(yán)重惡化[5-7]。

（2）學(xué)生在調(diào)查中對(duì)在課堂內(nèi)開展文化主題教學(xué)活動(dòng)表示出相當(dāng)?shù)呐d趣。在課堂教學(xué)進(jìn)入文化主題環(huán)節(jié)時(shí)，采用互動(dòng)活動(dòng)的方式進(jìn)行，如分組討論、模擬演示等?；顒?dòng)準(zhǔn)備工作由學(xué)生在課前預(yù)先做好，疑難問題在活動(dòng)中面對(duì)面答疑。學(xué)生可使用視頻、圖片等多媒體方式展示，使文化導(dǎo)入在課堂內(nèi)互動(dòng)性更強(qiáng)，更有趣味，也更直觀易懂。

前人在這方面做了很多工作，文獻(xiàn)[8]、[9]中作者提出了利用虛元技術(shù)和恒定束寬相結(jié)合方法，提高了小尺度陣列的多目標(biāo)跟蹤能力并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)相干源的分辨，但是其算法較為復(fù)雜，文獻(xiàn)[10]則是利用基于矢量傳感器的時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于二元矢量陣的目標(biāo)被動(dòng)定位，但其定位精度受建模誤差的影響較大。注意到文獻(xiàn)[11]指出若2個(gè)相干信號(hào)同時(shí)進(jìn)入不同陣列時(shí)其協(xié)方差矩陣之和的秩有可能不虧損這一論述，本文結(jié)合單矢量傳感器高分辨方位估計(jì)原理和空間平滑技術(shù)，對(duì)二元矢量陣的解相干性能進(jìn)行深入分析研究。

(4)坡型指標(biāo)量化及歸一化。坡型一般采用斜坡的曲率進(jìn)行描述。曲率≥0的斜坡為直線型坡和凸型斜坡，其發(fā)生變形破壞的可能性較高；曲率<0的斜坡為凹型坡和階梯型坡，其發(fā)生變形破壞的可能性較低。根據(jù)曲率的大小進(jìn)行0～1之間的線性歸一化處理，得到坡型指標(biāo)歸一化結(jié)果(圖3d)。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 二元矢量陣的模型

僅考慮二維情況，即矢量傳感器輸出共點(diǎn)的聲壓p和振速vx及vy。假設(shè)相干信號(hào)為單頻信號(hào)，二元矢量傳感器的陣元間距為半波長(zhǎng)λ/2，則遠(yuǎn)場(chǎng)條件下陣元在t時(shí)刻的接收信號(hào)表示為：

Xi(t)=A(θ)DiS(t)+N(t)

(1)

(2)

式中：Xi(t)為第i個(gè)陣元接收快拍數(shù)據(jù)模型；Di為第i個(gè)陣元的2×2維對(duì)角線矢量；α、β分別為相干信號(hào)x1(t)和x2(t)在第2個(gè)陣元上的相位延遲，對(duì)于單頻相干信號(hào)，α、β的值與頻率和入射方位角有關(guān)；ak(θk)為第k個(gè)相干信號(hào)的方向矢量；θk為該信號(hào)的水平入射角，滿足：

(3)

1.2 基于單矢量傳感器的MVDR和MUSIC方位估計(jì)

(4)

A(θ)=[a1(θ1)a2(θ2)]

“不如我把書放回去，反正沒人看見。即使被發(fā)現(xiàn)了，也不會(huì)知道是我撕破的?！彼龖阎唤z僥幸，悄悄將書放回書架。接著，伏尼契繼續(xù)尋找下一本書看，盡量遠(yuǎn)離剛剛被自己損壞的那本書。

(5)

式中：第1和第2個(gè)分量對(duì)應(yīng)于矢量傳感器2個(gè)振速通道輸出，最后一個(gè)分量對(duì)應(yīng)于矢量傳感器聲壓通道輸出。

1.3 基于空間平滑的二元矢量陣相干源分辨算法

本研究提示，規(guī)模化豬場(chǎng)要重視種豬的選育，避免“重引種輕選育”的錯(cuò)誤思想。選留種豬要有科學(xué)依據(jù)，這就要求準(zhǔn)確測(cè)量和記錄繁殖相關(guān)基本數(shù)據(jù)，如母豬的妊娠期、初生窩重、產(chǎn)仔數(shù)、產(chǎn)活仔數(shù)和斷奶窩重等指標(biāo)，數(shù)據(jù)測(cè)量要持續(xù)到第三胎以上，定期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)行體型外貌和選擇指數(shù)相結(jié)合的方法綜合選留種畜，真正提高豬場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)效率。

此時(shí)2個(gè)陣元的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣分別為：

(6)

(7)

式中：RS為信號(hào)協(xié)方差矩陣。

由于入射兩信號(hào)為相干信號(hào)，滿足x2(t)=ηx1(t)ejφ，其中η是功率系數(shù)，φ是相位差，所以:

(8)

此時(shí)RS為非滿秩矩陣。需要指出，本文中定義的陣列流型為單矢量傳感器自身具有的三維方向矢量ak(θk)，沒有時(shí)延參量而只與信號(hào)的入射方向有關(guān)。

S(t)=[x1(t)x1(t)]

MVDR波束形成器，即最小方差無失真響應(yīng)波束形成器，其準(zhǔn)則是在保持觀測(cè)方向上的信號(hào)功率不變情況下，使噪聲以及來自非信號(hào)方向的任何干擾所貢獻(xiàn)的功率為最小，其譜估計(jì)公式為[12]：

(9)

通過對(duì)大型臥式加工中心床身鑄件進(jìn)行的實(shí)型消失模工藝設(shè)計(jì)、切活料填砂設(shè)計(jì)及關(guān)鍵過程控制等，總結(jié)了生產(chǎn)此類鑄件的鑄造工藝及質(zhì)量的控制要點(diǎn)，得到了合格的鑄件，為此類鑄件的批量生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

對(duì)矢量傳感器接收的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解得到的信號(hào)子空間與噪聲子空間是正交的，即入射信號(hào)的導(dǎo)向矢量a(θ)與噪聲子空間正交。得到MUSIC譜估計(jì)公式如下[12]：

(10)

式中：UN為對(duì)單矢量傳感器的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣R特征分解得到的噪聲子空間。

下面將通過仿真進(jìn)一步驗(yàn)證所述理論。仿真中的噪聲是零均值的高斯噪聲，相干源信號(hào)為2個(gè)同頻單色信號(hào)，采樣頻率5kHz，樣本點(diǎn)數(shù)5 000，搜索步長(zhǎng)Δθ=0.1°，計(jì)算結(jié)果為100次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如無特別說明,上述仿真條件不變。

(11)

注意到，若僅保留上式分母括號(hào)中的第2項(xiàng)，則類似式(10)的表達(dá)式：

(12)

可見，MUSIC算法屬于噪聲子空間算法，而MVDR算法屬于信號(hào)子空間算法[12]，在后面同時(shí)給出了2種算法的仿真結(jié)果。

山東省東營(yíng)市東營(yíng)區(qū)是呂劇的發(fā)祥地，一代又一代藝人不斷致力于呂劇的傳承、弘揚(yáng)。雅俗共賞的呂劇已成為東營(yíng)人田間地頭、堂前屋后、廣場(chǎng)劇場(chǎng)演唱的一門群眾藝術(shù)。在現(xiàn)代多元文化的影響下，隨著一些老藝人相繼去世，40歲以下年輕人群體漸不知呂劇為何物。因此，有必要對(duì)國(guó)家級(jí)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)呂劇文化的發(fā)展壯大，對(duì)呂劇在實(shí)施“黃藍(lán)”國(guó)家戰(zhàn)略背景下發(fā)揮其作用，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)等進(jìn)行思考和研究探討。

考慮到信號(hào)源相干時(shí)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)子空間的維數(shù)小于信號(hào)源數(shù)，從而無法正確估計(jì)信號(hào)源方向，故本節(jié)將討論如何利用空間平滑原理實(shí)現(xiàn)上述2種算法對(duì)相干信號(hào)源的分辨。眾所周知，空間平滑算法是針對(duì)一般高分辨算法不能解相干而提出的一種有效方法[12], 它在一般情況下只適用于均勻線陣，而前向空間平滑的基本思想是將等距線陣分成若干個(gè)相互重疊的子陣列，通過各子陣列的協(xié)方差矩陣的平均運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)解相關(guān)。相應(yīng)地對(duì)于二元矢量陣，考慮到當(dāng)子陣陣元數(shù)目不小于目標(biāo)數(shù)目，且子陣數(shù)目不小于目標(biāo)數(shù)目，采用空間平滑的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣Rf是滿秩的情況，得到：

式中：a(θ)為導(dǎo)向矢量；在本文中定義R為單個(gè)矢量傳感器接收的3×3維數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣。

(13)

此時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣Rf特征分解，利用式(9)～(10)即可得到基于空間平滑的空間譜估計(jì)。由此看出，與傳統(tǒng)的空間平滑算法相比，本文方法不僅有效利用了陣元之間的相位信息，還充分考慮了矢量傳感器自身具有的3×1維陣列流型特點(diǎn)。

2 仿真分析

觀察發(fā)現(xiàn)，式(9)中數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解可得：

首先考察本文算法的有效性，相干源θ1=30°，θ2=60°，f1=f2=500 Hz，信噪比為30dB，圖1、圖2分別示出傳統(tǒng)MVDR和MUSIC算法與本文算法得到的空間譜。仿真結(jié)果表明，在相同信噪比條件下，本文算法均可以實(shí)現(xiàn)相干源的分辨，而傳統(tǒng)算法不具備分辨相干源的能力，從而說明本文提出的基于空間平滑的二元矢量陣解相干算法具有相干源的分辨能力。

圖1 傳統(tǒng)MVDR算法和本文算法MVDR性能比較

圖2 傳統(tǒng)MUSIC算法和本文算法MUSIC性能比較

考察信噪比對(duì)算法性能的影響，θ1=30°，θ2=60°，f1=f2=500 Hz，且相干源的功率相等，圖3、圖4分別示出了不同信噪比條件下2種算法得到的空間譜。仿真結(jié)果表明，隨著信噪比的提高，MVDR算法的譜峰寬度逐漸變窄，分辨力也逐漸提高。相較于MVDR算法，在相同信噪比條件下，MUSIC算法對(duì)相干源的譜峰寬度更窄，多目標(biāo)的分辨能力更好。

圖3 信噪比不同時(shí)MVDR的算法性能

圖4 信噪比不同時(shí)MUSIC的算法性能

接下來考察相干源功率不相等情況下的算法性能，目標(biāo)1滿足θ1=30°，信噪比為35dB。圖5、圖6則分別示出了相干源強(qiáng)度差異不同條件下2種算法得到的空間譜。

圖5 功率不相等時(shí)MVDR的算法性能

圖6 功率不相等時(shí)MMUSIC的算法性能

仿真結(jié)果表明，在仿真信噪比條件下，隨著相干源之間強(qiáng)度差異的減小，基于MVDR算法的譜峰寬度也逐漸變窄。相比之下，MUSIC算法受到相干源之間強(qiáng)度差異的影響則較小，方位分辨力很高。

我們趕回河浦時(shí)天剛擦黑。路邊田里姜月娥在割稻子，她沖我喊道，臘枝你快點(diǎn)兒回去！你伢兒病得么事樣的，把百福寺的先生都接來了！我聽了心里一緊，拔腿就跑，匆忙趕回屋里。大梁蹲在搖籃邊，抬起緊鎖的眉頭，求救似的望著我。我跑過去，雙手扒著搖籃，見大女兒小臉兒潮紅，紫色的小嘴兒開張著，透亮的鼻翼費(fèi)力地翕動(dòng)，呼呼地直喘氣。我把大女兒抱起喂奶，她小臉兒貼在我胸前，嘴巴一動(dòng)不動(dòng)！我慌了神，把奶頭兒硬往她口里塞。她就那樣懶洋洋地噙著，像是噙著一粒石子、一顆土塊，無動(dòng)于衷！

最后考察方位夾角的變化對(duì)算法能的影響，相干源的功率相等，信噪比為25dB，且滿足目標(biāo)1的方位θ1=30°，圖7、圖8分別示出了相干源在不同方位夾角下2種算法得到的空間譜。

圖7 不同夾角下基于MVDR的算法性能

圖8 不同夾角下基于MUSIC的算法性能

仿真結(jié)果表明，在仿真條件下隨著方位夾角變小，MVDR算法的譜峰寬度變寬，而且當(dāng)夾角為30°時(shí)只能得到合成聲能流的方位估計(jì)。對(duì)于MUSIC算法而言，在仿真條件下受到夾角的影響較小，不同夾角情況下仍具有很窄的譜峰寬度。

3.教學(xué)活動(dòng)處理不當(dāng)。一方面教師對(duì)轉(zhuǎn)化體育后進(jìn)生思想認(rèn)識(shí)不足；另一方面現(xiàn)今體育教師教學(xué)任務(wù)重，課時(shí)多，班級(jí)人數(shù)多，限于時(shí)間和精力關(guān)系對(duì)體育后進(jìn)生照顧關(guān)心不夠；此外，部分體育項(xiàng)目本身具有一定難度和危險(xiǎn)性，學(xué)生由于偶然事故受傷，就會(huì)產(chǎn)生“一朝被蛇咬，十年怕井繩”的心理，對(duì)所有體育活動(dòng)都存在被動(dòng)、恐懼的抵制心態(tài)。

（1）山羊感染率。在如東縣不同地區(qū)采集的80份山羊糞便中，有67只羊感染球蟲，感染率為83.75%（67/80）。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)二元矢量陣的解相干算法的性能進(jìn)行了分析，考察了相干源的信噪比、相干源之間聲強(qiáng)級(jí)差異以及相干源之間方位夾角等因素對(duì)算法性能的影響，得到了一些有意義的結(jié)論。

本文方法中僅依靠2個(gè)矢量傳感器，在一定條件下完成對(duì)2個(gè)相干源目標(biāo)的分辨，實(shí)現(xiàn)了矢量陣對(duì)相干源分辨的小尺度化。同時(shí)將空間平滑算法應(yīng)用到二元矢量陣的解相干中，拓展了空間平滑算法的應(yīng)用范圍?？紤]到工程上的應(yīng)用，本文算法的穩(wěn)健性尚有待進(jìn)一步研究與驗(yàn)證。

[1]HawkesM,NehoraiA.Acousticvector-sensorbeam-formingandCapondirectestimation[J].IEEETransactionsonSignalProcessing,1998(9):2481-2491.

[2]WongKT,ZoltowskiMD.Self-initiatingMUSIC-baseddirectionfindinginunderwateracousticparticlevelocity-fieldbeamspace[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,2000,25(2):262-273.

[3] 徐海東,梁國(guó)龍,惠俊，等.解析聲能流Capon空間譜估計(jì)[J].聲學(xué)技術(shù),2004(3):178-182.

[4] 徐海東.基于聲矢量陣的高分辨方位估計(jì)技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2004.

[5] 郡社鋒,馬遠(yuǎn)良，侯朝煥，等.寬帶波束域相干信號(hào)子空間高分辨方位估計(jì)[J].聲學(xué)學(xué)報(bào),2006(5)：418-424.

[6]ChenYM,LeeJH.Estimatingtwo-dimensionalanglesofarrivalincoherentsourceenvironment[J].IEEETransactionsonAcoustics,SpeechandSignalProcessing,1989,37(1):153-155.

[7]ChenYH,LianYT.2-Dmultitargetangletrackingalgorithmusingsensorarray[J].IEEEProceedings,PartF:RadarandSignalProcessing,1995,142(8):158- 161.

[8] 江磊.小尺度陣信號(hào)處理技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2008.

[9] 付彥.基于小尺度矢量陣的多目標(biāo)分辨研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2009.

[10]惠俊英，馬敬廣，李峰，等.二元陣被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡定位技術(shù)研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2007(11):1247- 1251.

[11]ShanT,WaxM,KailathT.Onspatialsmoothingfordirect-of-arrivalestimationofcoherentsignal[J].IEEETransactionsonASSP,1985(6):806-811.

[12]王永良.空間譜估計(jì)理論與算法[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004.

Research into The Coherent Sources Resolution Performance Based on Dualistic Vector Array

ZHANG Kai

(The 20th Research Institute of CETC，Xi'an 710068，China)

The existence of coherent sources makes the high-resolution azimuth estimation performance get worse badly.This paper analyzes the array manifold of single vector sensor,combining the application conditions of spatial smoothing algorithm,presents the de-correlation algorithm of minimum variance distortionless response (MVDR) and multiple signal classication (MUSIC) based on dualistic vector array,studies the algorithm performance.The theory analysis and simulation experiment prove that the direction of arrival (DOA) estimation of coherent sources can be realized by the algorithm,comparing with the MVDR algorithm and MUSIC algorithm,this algorithm has better azimuth resolution,is affected at the azimuth angular separation between coherent sources weakly and insensitive on the diversity between coherent sources in the same signal noise ratio.

dualistic vector array;coherent sources;minimum variance distortiontess response;direction of arrival estimation

2015-03-11

TB566

A

CN32-1413(2015)02-0067-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.02.018