1.一种声矢量阵方位估计方法,其特征在于包括如下步骤:(1)假设有L个远程水声目标,且其所发送的L个信号是频率为f的窄带信号,接收信号阵列是含有M个矢量传感器阵元的均匀线阵,阵元间距为发送信号的半个波长;
(2)将整个水声目标空间划分为K个空间位置,且K>L,使每个空间位置都对应一个方向角度,在K个空间位置上阵列输出表示为:其中, 表示多次采样快拍的远程水声目标信号源,是K×1的矢量, 中只有少数L个元素不为零,其余均为零,且每一个不为零的元素都对应一个目标,每一个不为零元素的位置都对应一个目标的方位角度,Nw表示多次采样快拍的零均值高斯噪声,Φ表示扫描矩阵;
(3)对信号 采用稀疏贝叶斯学习的DOA估计算法,通过求解超参数的值,获得信号源的最大后验概率实现对目标的方位角估计,超参数通过迭代计算直至收敛,最后一次迭代计算出水声目标稀疏重构信号向量为(4)确定 非零行的位置,即可由该位置对应中的角度估计出入射信号的DOA,稀疏重构向量 非零元素位置即对应实际的DOA角度,最终完成DOA估计。
2.如权利要求1所述的一种声矢量阵方位估计方法,其特征在于:所述步骤(1)中,用矩阵形式表示阵元的输出如下:Y=A(θ)S+N
其中, T表示转置;A(θ)表示信号的阵列流行矩阵, S表示远程水声目标信号源,S=[s1,s2,...sL]T,N表示零均值高斯噪声,N=[n1T,n2T,...nMT]T, 表示3M行1列的矩阵;
为了保证信号方位估计的精度,需要多次采样快拍:Yw=A(θ)Sw+Nw w=1,...W其中,W表示快拍数。
3.如权利要求2所述的一种声矢量阵方位估计方法,其特征在于:所述步骤(2)中,为用户定义的K个采样角度范围表示为θk=[θ1,θ2,...θK],k=1,2,...K;此时水声信号相对于这K个空间位置来说呈稀疏状态,则K个采样角度中有很少量的L个位置相应的角度为真实信号的来波方向,则构造扫描矩阵为:Φ=[a(θ1),a(θ2),...a(θK)]其中,a(θk)表示均匀线阵阵列流行矩阵,u(θk)表示方向向量,u(θk)=[1,cosθk,sinθk]T。
4.如权利要求3所述的一种声矢量阵方位估计方法,其特征在于:所述步骤(3)中,求解超参数的具体步骤是:步骤3-1,初始化超参数λ,γ,B的值,令λ=10-3,γ=1,B为主对角线全为1的M阶单位阵,M为信号源的个数;
步骤3-2,稀疏矢量γ,真实噪声方差λ通过最小化代价函数式得出:L|γ,B,λ|=log|λI+ΦΣ0ΦT|+YT|λI+ΦΣ0ΦT|Y
=log|Σy|+YTΣy-1Y
其中Σy=λI+ΦΣ0ΦT;
步骤3-3,采用最大期望算法求解上式,得出超参数γ,B,λ的学习规则,分别如下所示:步骤3-4,用MSBL算法推导得出如下结论:步骤3-5,将 的表达式进行变换如下式所示:步骤3-6,推导出最新的γ学习规则,表达式如下所示:将步骤3-3中B的表达式重新改写为:
步骤3-7,为了增加算法的鲁棒性,B的学习规则最终更新为:同时将λ学习规则进行简化,表达式如下:步骤3-8,一直迭代该步骤直到各个超参数均收敛于一个比较稳定的值。
5.如权利要求4所述的一种声矢量阵方位估计方法,其特征在于:所述步骤(4)中,采用稀疏贝叶斯学习的DOA估计步骤为;
步骤4-1,首先初始化观测值数目,w=w0;
步骤4-2,根据观测值数目w对信号进行压缩采样得到观测值向量Yw;
步骤4-3,对信号 赋予一个共同的零均值高斯稀疏先验,如下式表示:步骤4-4,对于步骤4-3中公式的求解多次测量问题的解优化过程采用最小l1-范数求解问题,如下式表示:其中 表示l1-范数, 为l2-范数,s.t表示使得满足的条件,ε为表示预设的噪声存在时优化收敛的门限值;
现在转化为概率角度的求解方式:
其中α0为噪声方差的倒数,α0=1/σ2,α为一个未知参数;将DOA估计的过程转化为对超参数矢量的控制;
条件概率写为:
要求 的最大值,现将其分解为两项,这两项分别为: 和P(α0,α|Yw),然后分别对这两项求最大值;
上式条件概率等式右边第一个式子中信号 的后验概率密度函数由贝叶斯准则求得:则 分析上式得出的结论
是,当取值 时, 取最大值;
其中,均值uw和方差∑w分别为:
uw=α0∑wΦTYw
∑w=(α0ΦTΦ+diag(α))-1步骤4-5,根据步骤2-4得出的方差来设置误差条的大小Ew;
步骤4-6,根据观测数目求出平均误差条,其值用E'w来表示;
步骤4-7,如果根据观测数目得到的误差条E'w小于设置的误差条Ew,则将观测值w减小
1,若误差条E'w大于设置的Ew,则将观测值w增加1;返回步骤4-2,继续进行下一轮的迭代,直至出现收敛,则停止迭代;
步骤4-8,输出目标信号向量 最佳的观测数目w;
步骤4-9,根据水声信号源 的最大后验概率 恢复出水声目标源信号,完成水声目标DOA估计。