基于夹角可调非均匀线阵的水下波达方向估计方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于夹角可调非均匀线阵的水下波达方向估计方法与装置，使用一个二维的夹角可调非均匀线阵作为接收阵列，分别对两个线阵应用ESPRIT算法，然后根据两线阵之间的角度关系，使最终结果与水下声速无关，实现了对传统ESPRIT算法的改进。同时由于采用夹角可调的线阵，可以改变两线阵之间的夹角进行多次测量，从而更好地消除估计误差。本发明专利技术结合了夹角可调线阵的优点和非均匀线阵的优点，估计精度高，具有较强的实用性。

Underwater DOA estimation method and device based on adjustable angle non-uniform linear array

The invention discloses an underwater DOA estimation method and device based on an angle-adjustable non-uniform linear array. Using a two-dimensional angle-adjustable non-uniform linear array as a receiving array, ESPRIT algorithm is applied to two linear arrays respectively, and then according to the angle relationship between the two linear arrays, the final result is independent of the underwater sound speed. The improvement of the traditional ESPRIT algorithm is realized. At the same time, the angle between the two linear arrays can be changed for multiple measurements by using the linear array with adjustable angle, thus eliminating the estimation error better. The invention combines the advantages of angle adjustable linear array and non-uniform linear array, and has high estimation accuracy and strong practicability.

【技术实现步骤摘要】
基于夹角可调非均匀线阵的水下波达方向估计方法与装置
本专利技术涉及目标定位的
，特别涉及一种基于夹角可调非均匀线阵的水下波达方向估计方法与装置。
技术介绍
阵列信号处理技术在众多领域已得到广泛应用，而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)。而在水面放置传感器阵列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就是水下DOA估计。现有的水下DOA估计方法主要有MUSIC算法和ESPRIT算法。它们同属于特征子空间类算法，此类算法通过对阵列接收数据的数学分解(如奇异值分解、特征分解及QR分解等)，将接收数据划分为两个相互正交的子空间：一个与信号源的阵列流型空间一致的信号子空间和一个与信号子空间正交的噪声子空间，它利用两个子空间的正交性可以大大提高算法的分辨力。特征子空间类算法从处理方式上分为两类：一类是以MUSIC算法为代表的噪声子空间类算法；另一类是便以ESPRIT算法为代表的信号子空间类算法。传统的DOA估计算法大都是基于均匀线阵，而在阵元个数相同的情况下，非均匀线阵能获得比均匀线阵更大的孔径，从而提高了分辨率，并且非均匀线阵测向精度高，抗模糊性强。此外，在实际环境中很难控制每两个阵元之间的间距完全相等，所以非均匀线阵的结构特点给阵列的排布方式带来了很大的灵活性。目前基于非均匀线阵的水下波达方向估计方法研究中，多采用固定直角的正交线阵，同时在算法中都假定水下声速为一个已知量，实际上水下环境十分复杂，声速也是不断变化的，因此使用固定夹角和固定声速会降低估计精度。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于夹角可调非均匀线阵的水下波达方向估计方法，通过对两个非均匀线阵的接收信号进行处理，在波达方向估计中消除声速这个因子，从而消除水下声速不确定性对目标定位精度的影响，非均匀线阵的使用也给阵列的排布方式带来了很大的灵活性。同时由于两均匀线阵夹角可变，在实际测量中可以改变夹角进行多次测量，更好地消除误差。本专利技术的另一目的在于提供一种基于可调夹角非均匀线阵的水下波达方向估计装置，该装置可以设置多个不同的线阵夹角值进行测量。本专利技术的目的通过以下的技术方案实现：一种基于夹角可调非均匀线阵的水下波达方向估计方法，包括以下步骤：S1、根据接收到的信号得出水平非均匀线阵的接收信号矩阵X(t)和倾斜非均匀线阵的接收信号矩阵Y(t)；具体的：窄带目标声源为S，中心频率为f；在水中放置两个夹角为αn的非均匀线阵，一个水平方向的非均匀线阵和一个倾斜的非均匀线阵，分别设为x轴和y轴；声波入射方向与水平均匀线阵正轴方向的夹角为β,β∈(0,π)；两个线阵夹角值为αn,n＝1,2,...,N且αn∈(0,π/2)；两非均匀线阵都有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，水平非均匀线阵阵元的平均间距为倾斜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y1,y2,…,ym,m＝1,2,…,M，倾斜非均匀线阵阵元的平均间距为当线阵夹角为αn时，目标声源对应于水平线阵的方向角为θnx，对应于倾斜线阵的方向角为θny；水平非均匀线阵的接收信号模型可表示为：X(t)＝Axsx(t)+Nx(t)其中，sx(t)表示t时刻到达水平非均匀线阵阵元上的目标信号，即从目标反射回来的声波信号；为M×1的水平非均匀线阵的导向矢量矩阵，X(t)＝[x1(t),x2(t),…,xM(t)]T为M×1的水平非均匀线阵的接收信号矩阵，Nx(t)＝[nx1(t),nx2(t),…,nxM(t)]T为M×1的水平非均匀线阵的噪声矩阵；倾斜非均匀线阵的接收信号模型可表示为：Y(t)＝Aysy(t)+Ny(t)其中，sy(t)表示t时刻到达倾斜非均匀线阵阵元上的目标信号，即从目标反射回来的声波信号，为M×1的倾斜非均匀线阵的导向矢量矩阵，Y(t)＝[y1(t),y2(t),…,yM(t)]T为M×1的倾斜非均匀线阵的接收信号矩阵，Ny(t)＝[ny1(t),ny2(t),…,nyM(t)]T为M×1的倾斜非均匀线阵的噪声矩阵；S2、直接用EPSRIT算法对X(t)和Y(t)进行估计，得到第一次估计后的水平非均匀线阵的水平旋转算子Φx1和倾斜非均匀线阵的倾斜旋转算子Φy1；S3、利用Φx1和Φy1分别得到水平初始相位补偿矩阵Bx1(θnx1)和倾斜初始相位补偿矩阵By1(θny1)，从而计算出经过初始相位补偿后的参考水平均匀线阵的接收信号矩阵和参考倾斜均匀线阵的接收信号矩阵具体的：Px(θnx)表示实际水平非均匀线阵和参考水平均匀线阵阵元位置的偏差引起的相位偏移，第一估计后的Px(θnx)值：水平初始相位补偿矩阵为：于是，经过初始相位补偿后的参考水平均匀线阵的接收信号阵列为：Py(θny)表示实际倾斜非均匀线阵和参考倾斜均匀线阵阵元位置的偏差引起的相位偏移，第一估计后的Py1(θny1)值：倾斜初始相位补偿矩阵为：于是，经过初始相位补偿后的参考倾斜均匀线阵的接收信号阵列为：S4、对初始相位补偿后的水平接收信号阵列和倾斜接收信号阵列进行迭代，得到最终的水平旋转算子Φx和倾斜旋转算子Φy的值；具体的：对于初始相位补偿后的水平均匀线阵的接收阵列再次利用ESPRIT算法对其进行DOA估计，得到第二次估计后的水平旋转算子的值Φx2，判断是否小于ε，其中ε是一个根据实际情况而定的阈值，若小于ε，则Φx2就是真实角度θx对应的水平旋转算子Φx；若不小于ε，则利用Φx2继续根据步骤S3的步骤更新相位补偿矩阵并估计出第二次相位补偿后的均匀线阵接收信号阵列然后对其进行第三次估计得到水平旋转算子Φx3，判断其是否收敛，若不收敛，则继续迭代，直至Φxt满足以下判断准则:其中Φxt表示第t次估计后得到的水平旋转算子的值，ε是一个根据实际情况而定的阈值；则有Φx＝Φxt；对于初始相位补偿后的倾斜均匀线阵的接收阵列同样利用ESPRIT算法对其进行估计和迭代，当Φyt满足以下判断准则时：其中Φyt表示第t次估计后得到的倾斜旋转算子的值，ε是一个根据实际情况而定的阈值；则有Φy＝Φyt；S5、计算出当前线阵夹角值下的波达方向角优选的，改变两均匀线阵之间的夹角αn,n＝1,2,...,N，重复步骤S1至步骤S5；对于不同的线阵夹角αn，求出对应的波达方向角，最后对N个结果取平均值得出最终结果θx。优选的，v为声波在探测路径上的速度，取v为其范围中的最小值以确定λ的值。优选的，水平非均匀线阵各阵元之间的间距与倾斜非均匀线阵各阵元之间的间距相等，即xm-xm-1＝ym-ym-1,m＝2,3,…,M。优选的，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，其中水平非均匀线阵阵元的平均间距为λ为声波的波长；倾斜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y1,y2,…,ym,m＝1,2,…,M，其中倾斜非均匀线阵阵元的平均间距为一种基于可调夹角非均匀线阵的水下波达方向估计装置，包括数据处理与控制模块、发射模块、接收模块、输出模块和电源模块；所有模块都与数据处理与控制模块直接相连，同时电源模块与所有模块相连，为这些本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于夹角可调非均匀线阵的水下波达方向估计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据接收到的信号得出水平非均匀线阵的接收信号矩阵X(t)和倾斜非均匀线阵的接收信号矩阵Y(t)；具体的：窄带目标声源为S，中心频率为f；在水中放置两个夹角为αn的非均匀线阵，一个水平方向的非均匀线阵和一个倾斜的非均匀线阵，分别设为x轴和y轴；声波入射方向与水平均匀线阵正轴方向的夹角为β,β∈(0,π)；两个线阵夹角值为αn,n＝1,2,...,N且αn∈(0,π/2)；两非均匀线阵都有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，水平非均匀线阵阵元的平均间距为

【技术特征摘要】
1.基于夹角可调非均匀线阵的水下波达方向估计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据接收到的信号得出水平非均匀线阵的接收信号矩阵X(t)和倾斜非均匀线阵的接收信号矩阵Y(t)；具体的：窄带目标声源为S，中心频率为f；在水中放置两个夹角为αn的非均匀线阵，一个水平方向的非均匀线阵和一个倾斜的非均匀线阵，分别设为x轴和y轴；声波入射方向与水平均匀线阵正轴方向的夹角为β,β∈(0,π)；两个线阵夹角值为αn,n＝1,2,...,N且αn∈(0,π/2)；两非均匀线阵都有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，水平非均匀线阵阵元的平均间距为倾斜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y1,y2,…,ym,m＝1,2,…,M，倾斜非均匀线阵阵元的平均间距为当线阵夹角为αn时，目标声源对应于水平线阵的方向角为θnx，对应于倾斜线阵的方向角为θny；水平非均匀线阵的接收信号模型可表示为：X(t)＝Axsx(t)+Nx(t)其中，sx(t)表示t时刻到达水平非均匀线阵阵元上的目标信号，即从目标反射回来的声波信号；为M×1的水平非均匀线阵的导向矢量矩阵，X(t)＝[x1(t),x2(t),…,xM(t)]T为M×1的水平非均匀线阵的接收信号矩阵，Nx(t)＝[nx1(t),nx2(t),…,nxM(t)]T为M×1的水平非均匀线阵的噪声矩阵；倾斜非均匀线阵的接收信号模型可表示为：Y(t)＝Aysy(t)+Ny(t)其中，sy(t)表示t时刻到达倾斜非均匀线阵阵元上的目标信号，即从目标反射回来的声波信号，为M×1的倾斜非均匀线阵的导向矢量矩阵，Y(t)＝[y1(t),y2(t),…,yM(t)]T为M×1的倾斜非均匀线阵的接收信号矩阵，Ny(t)＝[ny1(t),ny2(t),…,nyM(t)]T为M×1的倾斜非均匀线阵的噪声矩阵；S2、直接用EPSRIT算法对X(t)和Y(t)进行估计，得到第一次估计后的水平非均匀线阵的水平旋转算子Φx1和倾斜非均匀线阵的倾斜旋转算子Φy1；S3、利用Φx1和Φy1分别得到水平初始相位补偿矩阵Bx1(θnx1)和倾斜初始相位补偿矩阵By1(θny1)，从而计算出经过初始相位补偿后的参考水平均匀线阵的接收信号矩阵和参考倾斜均匀线阵的接收信号矩阵具体的：Px(θnx)表示实际水平非均匀线阵和参考水平均匀线阵阵元位置的偏差引起的相位偏移，第一估计后的Px(θnx)值：水平初始相位补偿矩阵为：于是，经过初始相位补偿后的参考水平均匀线阵的接收信号阵列为：Py(θny)表示实际倾斜非均匀线阵和参考倾斜均匀线阵阵元位置的偏差引起的相位偏移，第一估计后的Py1(θny1)值：倾斜初始相位补偿矩阵为：于是，经过初始相位补偿后的参考倾斜均匀线阵的接收信号阵列为：S4、对初始相位补偿后的水平接收信号阵列和倾斜接收信号阵列进行迭代，得到最终的水平旋转算子Φx和倾斜旋转算子Φy的值；具体的：对于初始相位补偿后的水平均匀线阵的接收阵列再次利用ESPRIT算法对其进行DOA估计，得到第二次估计后的水平旋转算子的值Φx2，判断是否小于ε，其中ε是一个根据实际情况而定的阈值，若小于ε，则Φx2就是真实角度θx对应的水平旋转算子Φx；若不小于ε，则利用...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁更新，李晓鹏，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44