一种矢量水听器高分辨定向方法及系统

本发明涉及水声信号处理领域，尤其涉及一种矢量水听器高分辨定向方法及系统。

背景技术：

1、矢量水听器由无指向性声压水听器与质点振速水听器共点复合构成，能够空间共点、时间同步测量声场中的声压和质点振速信息，单支矢量水听器凭借声压振速联合处理即可实现目标定向，对水下小平台探测具有重要工程应用价值。

2、目前，单矢量水听器方位估计算法主要有以下三类。第一类是基于声能流的常规定向方法，该类方法物理意义明确、稳健性高，但分辨率受限于波束主瓣宽度，强干扰下弱目标易被旁瓣能量掩盖，无法有效分辨空间临近多目标。第二类是以mvdr、music为代表的高分辨空间谱估计算法，突破了瑞利限的限制，但mvdr存在信噪比门限效应，低于门限时性能急剧下降且稳健性差，music等子空间拟合类算法需多维谱峰搜索，计算量巨大。第三类是基于压缩感知的稀疏信号处理方法，利用目标在空间分布的稀疏性，通过稀疏重构实现高分辨doa估计，但现有研究多针对矢量水听器阵列，在单矢量水听器场景下应用有限。

3、时反卷积处理技术已被引入单矢量水听器信号处理领域，组合通道时反卷积能够有效抑制不相关噪声，提高低信噪比条件下的检测能力。现有技术在此基础上提出了基于时反卷积后自适应抵消残差累积的方位估计方法，需在空间各方位逐点构造lms自适应滤波器并积累稳态误差，存在计算量大、滤波器易发散、难以满足快速探测需求的不足。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种矢量水听器高分辨定向方法及系统，旨在解决现有单矢量水听器定向方法中，常规算法分辨率不足、高分辨谱估计方法存在信噪比门限且计算量大、以及时反卷积自适应抵消方法滤波器易发散和计算量大的综合技术问题。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种矢量水听器高分辨定向方法，包括：s1、针对每一个预设的目标方位，遍历全部预设的搜索角度，分别利用矢量水听器声压通道、x方向振速通道和y方向振速通道的理想接收信号进行通道组合加权，并将组合后的信号与对应时间反转后的组合信号进行卷积后变换至频域，提取目标线谱频率处的复数幅值并按序拼接，形成当前目标方位对应的字典原子；遍历全部预设的目标方位，将所有字典原子组合得到时反卷积声场字典；s2、对实际测量的矢量水听器声压通道信号、x方向振速通道信号和y方向振速通道信号进行滤波处理，针对每一个预设的搜索方位，将滤波后的三路信号进行通道组合加权，并将组合后的信号与对应时间反转后的组合信号进行卷积后变换至频域，提取目标线谱频率处的复数幅值，遍历全部预设的搜索方位后按序拼接，得到时反卷积观测向量；s3、将时反卷积观测向量赋值为残差向量的初始值，并初始化稀疏向量为零向量；s4、计算时反卷积声场字典的各列与当前残差向量的内积，选取内积绝对值最大者对应的列索引存入选中索引集合；利用选中索引集合对应的字典列构成子矩阵，通过最小二乘法求解该目标方位对应的真实幅值；将求解得到的真实幅值填入稀疏向量中与选中索引集合对应的位置；更新残差向量，重复步骤s4的上述过程直至满足迭代停止条件，以最终稀疏向量中最大幅值对应的目标方位作为方位估计结果。

4、步骤s1中，形成当前目标方位对应的字典原子，具体包括：针对当前目标方位，利用理想声压通道信号、理想x方向振速通道信号和理想y方向振速通道信号，按当前遍历到的搜索角度进行通道组合加权，得到第一组合信号和第二组合信号；将理想声压通道信号与第一组合信号之和，分别与第一组合信号的时间反转信号和第二组合信号的时间反转信号进行卷积，得到两个时反卷积时域信号；将两个时反卷积时域信号变换至频域，提取目标线谱频率处的复数幅值作为当前搜索角度对应的原子元素，遍历全部搜索角度后按序拼接成字典原子。

5、通道组合加权的方式包括：将x方向振速信号与当前搜索角度余弦值的乘积，与y方向振速信号与当前搜索角度正弦值的乘积求和，得到第一组合信号；将x方向振速信号与当前搜索角度正弦值的乘积的负值，与y方向振速信号与当前搜索角度余弦值的乘积求和，得到第二组合信号。

6、步骤s2中提取目标线谱频率处的复数幅值，具体包括：针对当前预设的搜索方位，将实际测量的声压通道信号、x方向振速通道信号和y方向振速通道信号进行通道组合加权，得到第一实测组合信号和第二实测组合信号；将实测的声压通道信号与第一实测组合信号之和，分别与第一实测组合信号的时间反转信号和第二实测组合信号的时间反转信号进行卷积，得到两个实测时反卷积时域信号；将两个实测时反卷积时域信号变换至频域，提取目标线谱频率处的复数幅值，作为当前搜索方位对应的观测向量元素。

7、滤波处理为频带内滤波，频带范围由目标线谱频率确定。

8、步骤s4中迭代停止条件为当前残差向量的范数小于预设阈值，或迭代次数达到预设稀疏度约束值。

9、步骤s4中通过最小二乘法求解真实幅值的表达式为：

10、

11、其中，为选中索引集合对应的字典列构成的子矩阵，为残差向量的初始值，即时反卷积观测向量，为求解得到的真实幅值向量，为的转置。

12、目标线谱频率通过对实际测量的矢量水听器声压通道信号进行线谱检测获得。

13、预设的目标方位和预设的搜索角度的角度范围均为0°至360°，且相邻角度间隔均为1°。

14、第二方面，本发明提供一种矢量水听器高分辨定向系统，包括：单矢量水听器，单矢量水听器由无指向性声压水听器与质点振速水听器共点复合构成，质点振速水听器具有相互正交的x方向通道和y方向通道；声压水听器的输出端用于输出声压通道信号，质点振速水听器的x方向通道输出端和y方向通道输出端分别用于输出x方向振速通道信号和y方向振速通道信号；信号采集模块，信号采集模块的输入端分别与声压水听器的输出端、质点振速水听器的x方向通道输出端和y方向通道输出端连接，用于对三路输出信号进行同步采样和模数转换；信号处理模块，信号处理模块的输入端与信号采集模块的输出端连接；信号处理模块内部包含线谱检测单元和正交匹配追踪稀疏重构单元，线谱检测单元用于对声压通道信号进行线谱检测以获取目标线谱频率，正交匹配追踪稀疏重构单元用于根据目标线谱频率执行步骤s1至步骤s4的信号处理操作，信号处理模块的输出端输出目标方位估计结果。。

15、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

16、1、本发明充分利用了单矢量水听器声压通道与两个正交振速通道的多维信息融合优势，通过声压振速联合处理的组合增益显著提升了低信噪比条件下的线谱检测能力；同时，时反卷积处理利用信号与噪声在相关特性上的本质差异，将多途信道中弥散的目标能量进行时空聚焦，进一步抑制了不相关噪声和信道畸变对定向精度的影响。

17、2、本发明以时反卷积变换域中的声场字典替代了常规阵列流型字典，以正交匹配追踪的贪婪迭代搜索替代了现有技术中逐点构造lms自适应滤波器的处理方式，从根本上避免了自适应滤波器在低信噪比和通道失配条件下容易发散的问题，同时大幅降低了空间方位扫描过程中的计算量，提高了定向方法的稳定性和工程实用性。

18、3、本发明将时反卷积的时空聚焦处理与正交匹配追踪的稀疏重构有机结合，通过时反卷积观测向量在时反卷积声场字典中的稀疏分解，突破了矢量水听器孔径瑞利分辨限的约束，在低信噪比条件下仍能获得尖锐的方位谱和较小的角度估计误差，能够有效分辨空间角度间隔较小的多个线谱目标。

19、4、本发明采用离线构造时反卷积声场字典、在线构造观测向量并执行正交匹配追踪的架构，信号处理流程清晰可控，系统结构简洁，无需多维谱峰搜索和滤波器迭代收敛，适用于水下无人平台等计算资源受限场合的实时高分辨定向需求。