水下一维DOA估计方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于非圆信号和T型正交非均匀线阵的水下一维DOA估计方法和装置，考虑信源声波在正交线阵中入射角的数学关系，在估计方法中加入两条阵列的参数关系消除波长不稳定，即水下声速不稳定的影响，通过消除声速偏差使得估计的精确度更高，在未知声速环境中进行DOA估计时更具优势。本发明专利技术估计方法结合非均匀阵列和非圆信号，同时利用了非均匀阵列能提高估计方法的侧向精度和抗模糊性，以及非圆信号间接增加可处理的虚拟阵元个数的优点，加入包含预估计方位角信息的相位补偿逆矩阵进行估计，对一维ESPRIT算法的DOA估计性能有进一步的提升。

【技术实现步骤摘要】
水下一维DOA估计方法和装置
本专利技术涉及目标定位
，具体涉及一种基于非圆信号和T型正交非均匀线阵在未知声速环境进行水下一维波达方向估计的方法及装置。
技术介绍
阵列信号处理技术在众多领域已得到广泛应用，阵列信号处理的基本问题之一是空间信号波达方向估计(DOA估计)。水下DOA估计则是指在水面放置传感器阵列然后利用阵列信号处理技术来对水下目标物进行方位估计的方法。在水声通信领域内，由于水声环境的复杂性，信号在水下环境的传播路径中容易受到障碍引起的频率衰减，从而导致信号的散射衰减，传播信息受阻，接收信号容易失真等常见问题。解决声速不稳定的问题，一般利用接收装置对接收信号的处理比较方便，且改善效果良好，如专利申请201811241541.8和201810234211.X等。但是专利(申请号201811241541.8)的不足在于：由于来自L型线阵的竖直线阵两侧的信源信号相对水平线阵的传输距离的非对称性，若水平线阵的间距较大，则位于相对较远一侧的信源信号在传输中存在不满足信号窄带条件的风险。并且，为避免信号方向估计的模糊性，正交均匀线阵的阵元间距大多采用信号波长的一半，如果在需要增加估计精确性的条件下，扩大阵元间距可能会导致方向估计的模糊。专利(申请号201810234211.X)的不足在于：由于圆信号的伪逆协方差矩阵为零矩阵，在算法中经维数拓展后相对于非圆信号可利用的信源信息减少一半，没有阵列扩展的效果，以圆信号为对象的算法通常比以非圆信号为对象的算法偏差更大。为了克服现有克服声速影响的水下一维DOA估计方法的不足，目前亟待提出以非圆信号为对象的基于T型正交非均匀线阵一维水下DOA估计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提高水下一维DOA的估计精度和克服现有方法的不足，利用非均匀线阵相对均匀线阵具有角度分辨力好、侧向精度高、抗模糊性强的优势，且在阵元位置上可以随机放置，具有很强灵活性的特点，以及非圆信号可以在DOA估计过程中扩展了导向矩阵大小，增加虚拟接收阵元的个数，加强了算法的估计性能的特点，提出基于非圆信号与非均匀线阵的有机结合水下一维DOA估计方法与装置。本专利技术的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：为了更好地接收来波信号进行DOA估计，提出了一种基于T型正交非均匀线阵的一维水下波达方向估计方法。本估计方法采用包含初始声速相关特征值的一维NC-ESPRIT算法，取代非均匀线阵算法对方向角参数的重复迭代过程，减少了迭代所需的运算量，提高算法效率。本专利技术还结合2个子线阵的信号的方向角关系消除声速影响造成的估计偏差，推导出与声速无关的一维DOA估计式。本估计方法为实现基于非圆信号与非均匀接收线阵在未知声速环境进行的水下一维波达方向估计，将分别测量位于K个不同方位角的目标信源发射的非圆信号到接收装置上的接收信号进行处理，所述的估计方法步骤如下：S1、建立信号接收模型，组装由水平非均匀线阵和竖直非均匀线阵组成的T型正交非均匀线阵，水平非均匀线阵和竖直非均匀线阵位于XOY平面，其中，水平非均匀线阵排布于坐标系x轴上，阵列上有M个接收阵元，水平非均匀线阵第一阵元到第m个阵元相对于原点O的位置分别为x1，x2，…，xm，m＝1，2，…，M，其中竖直非均匀线阵排布于坐标系y轴上，阵列上有G个接收阵元，竖直非均匀线阵第一阵元到第g个阵元相对于原点O的位置分别为y1，y2，…，yg，g＝1，2，…，G，其中发射声波信号是中心频率为f、非圆率为ρ的非圆信号，0＜ρ≤1，对应的半波长选用不小于水平非均匀线阵和竖直非均匀线阵的平均间距，即且信号满足窄带条件，即当信号延迟远小于带宽倒数时，延迟作用相当于使基带信号产生一个相移。以坐标系原点为参考点，假设水下信源总个数为K，第k个目标的一维入射声波与水平线阵的夹角可表示为θxk，与竖直线阵的夹角可表示为θyk(θxk∈[0，π]，θyk∈[0，π]，k＝1，2，…，K)；2个子线阵的接收信号矩阵可以分别表示为：X＝AxS+Nx(1)Y＝AyS+Ny(2)其中S为K×L维的非圆信号矩阵，Ax和Ay分别为非均匀线阵的M×K和G×K维的导向矩阵，Nx和Ny则是M×L维和G×L维的噪声矩阵，根据信号的非圆特性有S＝ФSR；其中为信号的非圆相位，SR为非圆信号的幅值。S2、推导水平非均匀线阵的相位补偿矩阵Px(θxk)和竖直非均匀线阵的相位补偿矩阵Py(θyk)，以及对应的相位补偿逆矩阵Qx(θxk)和Qy(θyk)。S3、对所有采样信号进行整合，求解出两子线阵完整的等效均匀接收阵列矩阵以及对应的含声速信息的K个特征值uk和vk，k＝1，2，…，K。S4、经过全组合遍历匹配后，对两组参数联立计算得到声速参数的方向角θxk的估计值。所述的水平非均匀线阵和竖直非均匀线阵的阵元数目不一样，即M≠G，所述的水平非均匀线阵和竖直非均匀线阵的长度相同或者不相同。进一步地，所述的步骤S1中，考虑参考均匀线阵的信号接收模型表示为：其中，为M×K的参考水平均匀线阵的导向矩阵，为G×K的参考竖直均匀线阵的导向矩阵，和则是M×L维和G×L维的噪声矩阵。进一步地，所述的步骤S2的计算过程如下：水平非均匀线阵X是水平非均匀的M元线阵，线阵是水平非均匀线阵X对应的参考水平均匀的M元线阵，其中参考水平均匀线阵第一阵元到第m个阵元相对于原点的位置分别为其中参考水平均匀线阵的阵元间距为即而水平非均匀线阵的阵元位置分别为x1，x2，…，xm，第一个阵元和第M个阵元的位置与参考均匀线阵的第一个和第M个阵元的位置相同，即参考线阵与实际线阵相应顺序阵元的位置差为则水平非均匀线阵的阵元位置表示为其中因此参考水平均匀线阵的导向矩阵表达式为：水平非均匀线阵的导向矩阵表达式为：对比式(5)、(6)、(7)可知和Ax之间可由K个相位补偿矩阵过渡Px(θxk)得到，定义一个相位偏移矩阵为：两个不同导向矩阵内的方向向量间存在如下关系：定义相位补偿矩阵Px(θxk)的逆矩阵Qx(θxk)为：将式(10)代入式(9)得：同理，对于竖直非均匀线阵也可由K个相位补偿矩阵对非均匀接收线阵的导向矩阵进行相位补偿得到参考竖直均匀线阵的导向矩阵，即有竖直非均匀线阵导向矩阵的相位补偿矩阵表达式为：竖直非均匀线阵导向矩阵的相位补偿逆矩阵表达式为：竖直均匀线阵和非均匀线阵方向向量满足关系：进一步地，由于相位补偿矩阵中含有入射波的方向角，为求出含未知波达方向角，需要先计算出方向角的一个近似值来构造初始相位补偿逆矩阵，从而得到近似的参考均匀线阵的接收信号矩阵；采用NC-ESPRIT算法对水平非均匀线阵接收信号进行信号子空间分解得到含方向角近似值的水平旋转算子方向角近似值为：其中θ′xk表示第一次估计得到的θxk值，Θ′xk表示第一次估计得到的水平旋转算子Θxk值；将式(15)代入式(12)，可得：其中Px1(θxk)表示第一次估计的Px(θxk)值，因此，水平初始相位补偿逆矩阵为：对竖直非均匀线阵接收信号做同样数据处理，则有方向角近似值和竖直相位补偿逆矩阵：其中Py1(θyk)表示第一次估计的Py(θyk)值，因此，竖直初始相位补偿逆矩阵为：进一步地，所述的步骤S3过程如下：经过初始相位补偿后的参考水平均匀线阵和竖直均匀线阵的接收信号阵列矩阵为：将包含本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于非圆信号和T型正交非均匀线阵的水下一维DOA估计方法，其特征在于，所述的估计方法包括以下步骤：S1、建立信号接收模型，组装由水平非均匀线阵和竖直非均匀线阵组成的T型正交非均匀线阵，水平非均匀线阵和竖直非均匀线阵位于XOY平面，其中，水平非均匀线阵排布于坐标系x轴上，阵列上有M个接收阵元，水平非均匀线阵第一阵元到第m个阵元相对于原点o的位置分别为x1,x2,…,xm,m＝1,2,…,M，其中

【技术特征摘要】
1.一种基于非圆信号和T型正交非均匀线阵的水下一维DOA估计方法，其特征在于，所述的估计方法包括以下步骤：S1、建立信号接收模型，组装由水平非均匀线阵和竖直非均匀线阵组成的T型正交非均匀线阵，水平非均匀线阵和竖直非均匀线阵位于XOY平面，其中，水平非均匀线阵排布于坐标系x轴上，阵列上有M个接收阵元，水平非均匀线阵第一阵元到第m个阵元相对于原点o的位置分别为x1,x2,…,xm,m＝1,2,…,M，其中竖直非均匀线阵排布于坐标系y轴上，阵列上有G个接收阵元，竖直非均匀线阵第一阵元到第g个阵元相对于原点o的位置分别为y1,y2,…,yg,g＝1,2,…,G，其中发射声波信号是中心频率为f、非圆率为ρ的非圆信号，0＜ρ≤1，对应的半波长选用不小于水平非均匀线阵和竖直非均匀线阵的平均间距，即且发射声波信满足窄带条件，即当信号延迟远小于带宽倒数时，延迟作用相当于使基带信号产生一个相移，以坐标系原点为参考点，假设水下信源总个数为K，第k个目标的一维入射声波与水平线阵的夹角表示为θxk，与竖直线阵的夹角表示为θyk，其中，θxk∈[0,π]，θyk∈[0,π]，k＝1,2,…,K，水平非均匀线阵和竖直非均匀线阵的接收信号矩阵分别表示为：X＝AxS+Nx(1)Y＝AyS+Ny(2)其中S为K×L维的非圆信号矩阵，Ax和Ay分别为非均匀线阵的M×K和G×K维的导向矩阵，Nx和Ny则是M×L维和G×L维的噪声矩阵，根据信号的非圆特性有S＝ΦSR，其中为信号的非圆相位，SR为非圆信号的幅值；S2、推导水平非均匀线阵的相位补偿矩阵Px(θxk)和竖直非均匀线阵的相位补偿矩阵Py(θyk)，以及对应的相位补偿逆矩阵Qx(θxk)和Qy(θyk)；S3、对所有采样信号进行整合，求解出水平非均匀线阵和竖直非均匀线阵的完整等效均匀接收阵列矩阵以及对应的含声速信息的K个特征值uk和vk,k＝1,2,…,K；S4、经过全组合遍历匹配后，对两组参数联立计算得到声速参数的方向角θxk的估计值。2.根据权利要求1所述的水下一维DOA估计方法，其特征在于，所述的水平非均匀线阵和竖直非均匀线阵的阵元数目不一样，即M≠G，所述的水平非均匀线阵和竖直非均匀线阵的长度相同或者不相同。3.根据权利要求1所述的水下一维DOA估计方法，其特征在于，所述的步骤S1中，考虑参考均匀线阵的信号接收模型表示为：其中，为M×K的参考水平均匀线阵的导向矩阵，为G×K的参考竖直均匀线阵的导向矩阵，和则是M×L维和G×L维的噪声矩阵。4.根据权利要求3所述的水下一维DOA估计方法，其特征在于，所述的步骤S2的计算过程如下：水平非均匀线阵X是水平非均匀的M元线阵，线阵是水平非均匀线阵X对应的参考水平均匀的M元线阵，其中参考水平均匀线阵第一阵元到第m个阵元相对于原点的位置分别为其中参考水平均匀线阵的阵元间距为即而水平非均匀线阵的阵元位置分别为x1,x2,…,xm，第一个阵元和第M个阵元的位置与参考均匀线阵的第一个和第M个阵元的位置相同，即参考线阵与实际线阵相应顺序阵元的位置差为则水平非均匀线阵的阵元位置表示为因此参考水平均匀线阵的导向矩阵表达式为：水平非均匀线阵的导向矩阵表达式为：对比式(5)、(6)、(7)可知和Ax之间可由K个相位补偿矩阵过渡Px(θxk)得到，定义一个相位偏移矩阵为：两个不同导向矩阵内的方向向量间存在如下关系：定义相位补偿矩阵Px(θxk)的逆矩阵Qx(θxk)为：将式(10)代入式(9)得：同理，对于竖直非均匀线阵也可由K个相位补偿矩阵对非均匀接收线阵的导向矩阵进行相位补偿得到参考竖直均匀线阵的导向矩阵，即有竖直非均匀线阵导向矩阵的相位补偿矩阵表达式为：竖直非均匀线阵导向矩阵的相位补偿逆矩阵表达式为：竖直均匀线阵和非均匀线阵方向向量满足关系：5.根据权利要求4所述的水下一维DOA估计方法，其特征在于，所述的步骤S2中，由于相位补偿矩阵中含有入射波的方向角，为求出含未知波达方向角，需要先计算出方向角的一个近似值来构造初始相位补偿逆矩阵，从而得到近似的参考均匀线阵的接收信号矩阵；采用NC-ESPRIT算法对水平非均匀线阵接收信号进行信号子空间分解得到含方向角近似值的水平旋转算子方向角近似值为：其中θ′xk表示第一次估计得到的θxk值，Θ′xk表示第一次估计得到的水平旋转算子Θxk值；将式(15)代入式(12)，可得：其中Px1(θxk)表示第一次估计的Px(θxk)值，因此...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁更新，周镓杰，景广豫，冯义志，张军，杨萃，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44