一种基于主动虚拟时反方法的水下目标DOA估计方法技术

本发明专利技术提供了一种基于主动虚拟时反方法的水下目标DOA估计方法，水听器的均匀线列阵中，探测声源发射信号，目标接收到信号并进行反射；均匀线列阵各阵元接收信号，滤波后在计算机中实现虚拟时反，将时反信号进行归一化处理后，作为二次发射信号在计算机中虚拟重新发射到信道中；对二次接收信号进行空间平滑，分别求取每个子阵的协方差矩阵，计算基于ADVTR的Capon算法的空间谱函数并进行谱峰搜索，以谱峰值作为目标的DOA估计值。本发明专利技术降低了信号的能量衰减，提高了接收信号的信噪比，可直接推广至2个及以上的目标。

【技术实现步骤摘要】
一种基于主动虚拟时反方法的水下目标DOA估计方法
本专利技术涉及水声多径信道、主动虚拟时反和阵列信号处理领域，具体涉及一种水下目标DOA估计方法。
技术介绍
目标的方位(directionofarrival,DOA)估计是目标参数估计中的一个重要内容。水下目标方位估计往往借鉴空中目标方位估计方法，结合阵列信号处理理论展开。无论空中还是水下，信号传输中一个不可避免的问题是信道的多径效应。常规阵列信号处理DOA估计方法建立在直达波基础上，忽略多径或想办法消除多径的影响，把多径看作是一个不利的因素，估计时只考虑目标到接收阵列之间的单向传播信道，实现的是被动目标的方位估计。近些年提出的时间反转(timereversal，简称TR或时反)信号处理方法，则刚好相反，要充分利用信道中存在的多径效应，根据时间反转的自适应聚焦特性来消除信道中的多径及介质不均匀等引起的信号传播问题，这为实现水下目标的高精度波达方向估计提供了新思路和方法。时反按实现方式一般分为主动时反(activetimereversal，ATR)和被动时反(passivetimereversal，PTR)两种，二者最主要的区别在于：时间反转镜(timereversalmirror，TRM)在接收到目标反射信号以后，主动时反需将包含噪声的接收信号重新发射到真实信道中完成聚焦，而被动时反则是在计算机中虚拟实现时反操作和完成聚焦。除此以外，还有文献在被动时反的基础上，提出了一种虚拟时反(virtualtimereversal，VTR)方法，二者有一定的区别，但相同点是都需要在计算机中模拟时反操作，因此很多文献经常对二者不加以区分。有文献结合目标检测方式，提出了一种基于主动检测方式的虚拟时反(ActiveDetectiononVirtualTimeReversal，ADVTR)目标检测模型，采用主动的目标检测方式，通过目标反射信号与声源信号之间的相关性获取信道特性，最后在阵元接收端进行TR处理并虚拟信号传播过程。该方法的最大优势在于仅需ATR中信号一半的传播历程，大大降低了信号的能量衰减，提高了检测性能，且在保持处理增益与PTR相同的基础上，理想地估计了海洋信道的特性，避免了PTR的逼近过程。目前利用时间反转进行DOA的研究，主要集中在ATR、PTR或VTR方法上，例如Foroohar和Amir的研究团队，先后将主动时反、压缩感知(compressedsensing，CS)或多输入多输出(multipleinputmultipleoutput，MIMO)等多种技术结合起来，基于阵列信号处理理论，研究了雷达领域的DOA估计问题，取得了一定的研究成果；付永庆等提出了一种虚拟时反DOA估计算法，将其应用于空间电磁辐射源的远场窄带信号源方位角的被动估计中，通过查找扫描区域中能量最大的点来确定辐射源的方位角。以上电磁波领域的方法对研究水下目标的DOA估计有一定的指导意义。水下时反DOA估计方法主要集中于波束形成方面，例如有作者利用PTR方法研究了水下目标的方位估计特性，提出了一种基于非均匀线列阵(non-uniformlinearray,NLA)的被动时反超指向性模型；另有文献提出了一种基于TR的均匀线列阵波束形成方法，从信号检测的角度建立了所需模型，利用常规波束形成方法估计出了目标的角度，该方法是利用ADVTR方法实现目标定向的初步尝试。文献提出了一种基于ATR的水下目标DOA估计，首次从阵列信号处理的角度建立了多径模型和所使用的算法。以上方法在一定程度上解决了低信噪比情况水下目标的定向问题。然而，基于PTR的估计方法的关键问题在于对信道估计的准确性，只有当估计出的信道与海洋信道比较接近时，PTR才能完成对目标的正确估计，这在实际中是存在一定难度的；基于ATR的估计方法，相对PTR无需海洋信道的估计过程，其聚焦过程是在真实信道中自适应完成，但是却需要进行两次信号发射过程，使得信号传播经历两次信道衰减，在一定程度上影响了所能探测和估计信号的距离。基于ADVTR的波束形成方法，其局限性在于其只能实现一个方位的目标定向，且该方法是从信号检测的角度建立的模型，无法直接推广到对2个及以上目标的方向估计。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种主动虚拟时反的水下目标DOA估计方法，相对基于ATR的估计方法，将第二次发射过程改为在计算机中虚拟实现，从而使信号传播过程缩减为原来的一半，大大降低了信号的能量衰减，提高了接收信号的信噪比，可实现远距离、低信噪比情况下目标的高精度DOA估计；相对PTR的估计方法，又由于加入了主动探测的过程，因此信道相对PTR容易根据主动发射的信号取相关得到。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：第一步，水听器的均匀线列阵中，位于k阵元的探测声源发射信号f(t)，发射声源与目标之间的信道传输函数式中N表示声线总数，ckn、τkn分别表示第k个阵元和目标之间第n条本征声线对应的衰减幅度和时延，δ表示冲激函数；第二步，目标接收到信号并进行反射；第三步，均匀线列阵各阵元接收信号，第j个阵元接收到的信号式中，hj(t)表示目标与第j个阵元之间的信道函数，vj(t)表示第j个阵元和目标之间的噪声，cjm、τjm分别表示目标和第j个阵元之间的第m条路径对应的衰减幅度和时延，M表示路径总数；设发射信号其中s(t)表示发射信号包络，ωc表示发射信号的角频率，结合阵列信号处理的远场窄带模型理论，并将第j个阵元接收信号推广到各个阵元，表示成矩阵形式有：Y(t)＝(CA)DXkF(t)+V(t)其中，符号“”表示哈达玛积(又称基本积)，Y(t)＝[y1(t),,yP(t)]T表示的均匀线列阵的1～P个阵元接收到的信号；C为P×M矩阵，表示目标和水听器阵各阵元的信道响应函数对应的衰减幅度矩阵，其元素cjm表示目标经过第m条路径到达第j个阵元的衰减幅度；A为P×M矩阵，表示相对首阵元的时延矩阵，式中λ表示水听器阵的信号波长，θM表示目标通过各条路径相对水听器阵阵元的角度；表示的是目标到阵列1的时延矩阵，τ1m表示的是目标到达阵元1的第m条径的时延；可认为是从k阵元发射的信号经过信道到达目标的接收信号矩阵；称为发射矩阵；V(t)表示噪声矩阵。第四步，采用滤波器进行滤波后，将阵列各阵元接收信号在计算机中实现虚拟时反，第j个阵元的时反信号其中，第五步，将时反信号进行归一化处理后，作为二次发射信号在计算机中虚拟重新发射到信道中；第六步，第j个阵元时虚拟反发射后阵列接收信号Zj(t)＝(CA*)D*Xj*yj(-t)+V(t)，式中，Xj为j阵元发射的接收信号矩阵；将阵列的第j个阵元时反发射情况推广到所有阵元，得到时反后阵列的接收信号总和第七步，对二次接收信号进行空间平滑，第i个子阵的信号矩阵Ztri(t)＝[Ztr(i),Ztr(i+1),…,Ztr(i+ns-1)]T；其中，ns表示每一个子阵的阵元个数；第八步，分别求取每个子阵的协方差矩阵RZi＝E{Ztri(t)Ztri(t)H}；取平均得到时反后的二次接收信号对应的空间平滑矩阵第九步，计算基于ADVTR的Capon算法的空间谱函数atrs(θ)表示空间平滑的ADVTR的Capon算法的导向矢量；第十步，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于主动虚拟时反方法的水下目标DOA估计方法，其特征在于包括下述步骤：第一步，水听器的均匀线列阵中，位于k阵元的探测声源发射信号f(t)，发射声源与目标之间的信道传输函数

【技术特征摘要】
1.一种基于主动虚拟时反方法的水下目标DOA估计方法，其特征在于包括下述步骤：第一步，水听器的均匀线列阵中，位于k阵元的探测声源发射信号f(t)，发射声源与目标之间的信道传输函数式中N表示声线总数，ckn、τkn分别表示第k个阵元和目标之间第n条本征声线对应的衰减幅度和时延，δ表示冲激函数；第二步，目标接收到信号并进行反射；第三步，均匀线列阵各阵元接收信号，第j个阵元接收到的信号式中，hj(t)表示目标与第j个阵元之间的信道函数，vj(t)表示第j个阵元和目标之间的噪声，cjm、τjm分别表示目标和第j个阵元之间的第m条路径对应的衰减幅度和时延，M表示路径总数；设发射信号其中s(t)表示发射信号包络，ωc表示发射信号的角频率，结合阵列信号处理的远场窄带模型理论，并将第j个阵元接收信号推广到各个阵元，表示成矩阵形式有Y(t)＝(C⊙A)DXkF(t)+V(t)，其中，符号“⊙”表示哈达玛积(又称基本积)，Y(t)＝[y1(t),…,yP(t)]T表示的均匀线列阵的1～P个阵元接收到的信号；C为P×M矩阵，表示目标和水听器阵各阵元的信道响应函数对应的衰减幅度矩阵，其元素cjm表示目标经过第m条路径到达第j个阵元的衰减幅度；A为P×M矩阵，表示相对首阵元的时延矩阵，式中λ表示水听器阵的信号波长，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海燕，荆海霞，申晓红，刘郑国，张之琛，刘镭，贾天一，常娟，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61