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基于传播算子的声学矢量传感器阵列扩展孔径二维DOA估计算法
摘要
声学矢量传感器（AcousticVectorSensor，简称AVS）是一种新型的传感器，它可以捕获声场的四个参数（声压、三个声强分量），因此具有更强的参数灵敏度，可以被广泛应用于语音识别、声场辨识和定位等领域。其中，方向角(DOA)估计是声场定位的重要环节。本文基于传播算子的声学矢量传感器阵列扩展孔径二维DOA估计算法，将传播算法与AVS相结合，提出一种新的声场定位方法，该方法可以在较低的信噪比下提高DOA估计的准确性，并且对于不同类型的噪声具有较好的适用性。
关键词：声学矢量传感器，传播算子，扩展孔径，二维DOA估计，信噪比，噪声类型
Abstract
AcousticVectorSensor(AVS)isanewtypeofsensorthatcancapturefourparametersofthesoundfield(soundpressure,threesoundintensitycomponents),andthereforehasastrongerparametersensitivity.Itcanbewidelyusedinspeechrecognition,soundfieldidentificationandpositioningandotherfields.Amongthem,theestimationofdirectionofarrival(DOA)isanimportantpartofsoundfieldpositioning.Basedonthepropagationoperatorofacousticvectorsensorarrayextendedaperturetwo-dimensionalDOAestimationalgorithm,thispapercombinesthepropagationalgorithmwithAVSandproposesanewmethodforsoundfieldpositioning.ThismethodcanimprovetheaccuracyofDOAestimationunderlowsignal-to-noiseratio,andhasgoodapplicabilitytodifferenttypesofnoise.
Keywords:Acousticvectorsensor,propagationoperator,extendedaperture,two-dimensionalDOAestimation,signal-to-noiseratio,noisetype
一、引言
随着科技的不断发展，在信号处理领域中提出了一种新型的传感器——声学矢量传感器（AcousticVectorSensor，简称AVS），它可以捕获声场的四个参数，即声压、三个声强分量。相比传统的单向声压传感器，AVS具有更强的参数灵敏度，可以被广泛应用于语音识别、声场辨识和定位等领域。
在以上应用领域中，定位是一个重要的环节。其中，方向角(DOA)估计是声场定位的重要环节。由于不同的声源在信号源-传感器间到达的时间和方向不同，即到达时间差（Timedifferenceofarrival，简称TDOA）和到达角度差（Angledifferenceofarrival，简称ADOA）不同，因此可以通过测量这两个参数来实现多声源的分类定位，同时也可以获得声源的方向。
本文旨在利用传播算子的声学矢量传感器阵列扩展孔径二维DOA估计算法，结合AVS的特点，提出一种新的声场定位方法，该方法可以在较低的信噪比下提高DOA估计的准确性，并且对于不同类型的噪声具有较好的适用性。
二、传播算子
传播算子是一种重要的空间滤波器，它可以用于分离从一个位置到另一个位置传播到接收器的波。在传播算子的计算中，需要利用声波的传输方程来计算传播矩阵。在传播算子中，各个传播路径对应的传播矩阵相乘，从而得到整个信号传播到接收器的波形。
在具体的计算中，传播算子可以用于计算与源位置和接收器位置相关的传播时间、传播距离和传播速度等信息。其中，传播距离、时间和速度是传播算子计算的关键参数。
三、AVS阵列扩展孔径二维DOA估计算法
3.1基本思想
本文提出的AVS阵列扩展孔径二维DOA估计算法基于传播算子的空间滤波原理，利用AVS的四组声学参数（声压、三个声强分量）来测量声波的传播时间和传播方向，并利用传播算子计算各个传播路径的传播距离、传播时间和传播速度等信息，从而实现声源2D方向角的快速、准确定位。
该方法有以下几个优点:
（1）利用AVS的四个参数可以对信号的多个参数进行监测，因此可以对更加复杂的声场有更好的处理能力，提高DOA估计的准确性。
（2）传播