基于夹角可调三维阵的非圆信号水下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夹角可调三维阵的非圆信号水下DOA估计方法和装置，使用一个二维夹角可调的均匀三维线阵作为接收阵列，这种阵列能够进行灵活测量，通过实现线阵在二个维度上的夹角可调进行多次测量，可以达到提升估计性能的目的。为了克服水声环境中信号快速衰减的问题，通过将非圆信号应用到水下DOA估计中，采用基于非圆信号的NC‑ESPRIT算法，以提升估计性能；为了消除声速影响造成的估计偏差，采用声速无关的二维DOA估计表达式；同时为了实现三维夹角可调均匀线阵下的三组参数的成功配对，采用了一种基于子空间投影角度配对的三参数配对方法，提升了水下DOA估计精度。综上，本发明专利技术估计精度高，具有较强的实用性。

Underwater DOA Estimation Method and Device for Non-circular Signals Based on Three-Dimensional Array with Adjustable Angle

The invention discloses an underwater DOA estimation method and device for non-circular signals based on an angle-adjustable three-dimensional array, which uses a uniform three-dimensional linear array with adjustable two-dimensional angle as a receiving array. The array can be flexibly measured. By realizing the adjustable angle of the linear array on two dimensions for multiple measurements, the estimation performance can be improved. In order to overcome the problem of fast signal attenuation in underwater acoustic environment, non-circular signals are applied to underwater DOA estimation, and NC ESPRIT algorithm based on non-circular signals is used to improve the estimation performance; in order to eliminate the estimation bias caused by the influence of sound velocity, two-dimensional DOA estimation expression independent of sound velocity is used; at the same time, three groups of parameters under three-dimensional uniform linear array with adjustable angle are realized. In order to improve the accuracy of underwater DOA estimation, a three-parameter matching method based on subspace projection angle matching is adopted. In conclusion, the method has high estimation accuracy and strong practicability.

【技术实现步骤摘要】
基于夹角可调三维阵的非圆信号水下DOA估计方法和装置
本专利技术涉及目标定位的
，具体涉及一种基于夹角可调三维阵的非圆信号水下DOA估计方法和装置。
技术介绍
空间信号波达方向估计(DOA估计)在众多领域已得到广泛应用，二维水下DOA估计就是指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二维波达方向估计的方法。现有的水下DOA估计方法主要有MUSIC算法和ESPRIT算法。水下DOA估计采用声波作为传播载体，由于声波信号在水下环境传播时，水声信道中的各种障碍物及崎岖不平的海底造成的声波散射作用，导致了信号的衰减。除了水声环境造成信号的快速衰减，水下DOA估计面临的另一个问题就是声速影响。由于河流和海洋等水下环境复杂且不稳定，声波的速度随位置和时间而变化，水下DOA算法的估计精度受到很大影响，当实际声速偏离预先设定速度，估计精度将因此降低。基于非圆信号的DOA估计算法中，非圆信号伪协方差矩阵不为零的特征相当于虚拟扩展阵列，能够显著的提高估计性能。同时非圆信号虚拟阵元的增加也使得算法可以处理多于阵列个数的信源个数。但是目前基于非圆信号的二维波达方向估计方法多采用固定直角的正交线阵结构。这类常规阵列结构固定，不易变动，对结构稳定性要求比较高，对应的灵活性下降。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于夹角可调三维阵的非圆信号水下DOA估计方法和装置，通过对均匀线阵的接收信号进行处理，在二维DOA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。同时由于均匀线阵的二维夹角可变，给阵列的排布方式带来了很大的灵活性，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。本专利技术的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种基于夹角可调三维线阵和非圆信号在未知声速环境进行的水下二维波达方向估计的方法，该方法将测量N2次不同的线阵夹角值，所述的估计方法步骤如下：S1、建立三维夹角可调均匀线阵的阵列信号接收模型，所述的三维夹角可调均匀线阵包括一个L型阵列和一个具有2自由度的旋臂阵列，其中L型阵列的2个子线阵分别设为线阵1和线阵2，具有2自由度的旋臂阵列设为线阵3，线阵1排布于坐标系x轴上，线阵2排布于坐标系y轴上，线阵3具有2自由度的旋转特性，线阵3与线阵1的夹角为Δx，线阵3与线阵2的夹角为Δy，夹角Δx和夹角Δy可调节，线阵1、线阵2和线阵3都为均匀线阵并都有M个接收阵元，阵元的平均间距为d；以坐标系原点为参考点，假设入射到阵列上的水下目标总个数为K，第k个目标的方位角和仰角可表示为θk和φk，θk∈[0,π]，同时目标与坐标系x轴、y轴的夹角分别αk和βk，目标信号满足窄带条件，即当目标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，快拍数为L，线阵1、线阵2和线阵3的接收数据矩阵分别表示为X、Y和Z：X＝AxS+Nx(1)Y＝AyS+Ny(2)Z＝AzS+Nz(3)其中S是一个K×L维的源信号矩阵，Nx,Ny和Ny则是M×L维的噪声矩阵，Ax、Ay和Az则是由方位角θk和仰角φk表示的M×K维导向向量矩阵；S2、利用基于NC-ESPRIT的非圆信号一维DOA估计算法求出线阵1、线阵2和线阵3对应的特征值参数uk、vk和wk,k＝1,2,…,K；S3、对夹角可调三维阵列中线阵1、线阵2和线阵3对应的特征值参数uk、vk和wk进行参数配对；S4、求解目标的二维波达方向估计解，即对于第k＝1,2,…,K个目标，求出方位角θk和仰角φk的估计值；S5、对不同阵列夹角条件下获得的N2组估计值进行加窗函数处理，得到最优估计结果。进一步地，所述的步骤S1中，根据信号的非圆特性有S＝ΦSR，其中为信号的非圆相位，将公式(1)、(2)和(3)写成X＝AxΦSR+Nx(4)Y＝AyΦSR+Ny(5)Z＝AzΦSR+Nz(6)其中导向向量矩阵Ax、Ay和Az表示为：Ax＝[ax(θ1,φ1)ax(θ2,φ2)…ax(θK,φK)](7)Ay＝[ay(θ1,φ1)ay(θ2,φ2)…ay(θK,φK)](8)Az＝[az(θ1,φ1)az(θ2,φ2)…az(θK,φK)](9)对于第k个目标，则有ax(θk,φk)＝[ax，0(θk,φk)…ax，M-1(θk,φk)]T(10)ay(θk,φk)＝[ay，0(θk,φk)…ay，M-1(θk,φk)]T(11)az(θk,φk)＝[az，0(θk,φk)…az，M-1(θk,φk)]T(12)设线阵3在xoy平面的投影与x轴的夹角为θz，线阵3与z轴的夹角为φz，根据线阵1、线阵2、线阵3与坐标轴的夹角关系，得到：由于导向向量受目标-原点连线与线阵之间的夹角影响，因此得到其中λk为声波的波长，即均匀线阵两相邻阵元之间的间距d要小于声波信号的半波长，而声波在探测路径上的速度v是未知的，因此取v为其范围中的最小值以确定λk的值。进一步地，所述的步骤S2过程如下：针对线阵1重构接收信号阵列，首先定义一个行交换矩阵J利用行交换矩阵J重构接收信号矩阵，重构后的接收信号矩阵Wx表示为：其中并构建Wx的协方差矩阵Rw：其中Rs是源信号实部SR的协方差矩阵，是噪声分量的方差，I2M为2M×2M的单位矩阵，对协方差矩阵Rw进行特征值分解得到因为信号子空间Us与Bx的关系有：span{Us}＝span{Bx}，因此存在一个满秩矩阵T使得UsT＝B，定义矩阵T1＝[0(M-1)×1IM-1]，T2＝[IM-10(M-1)×1]以及行交换矩阵其中O为(M-1)×M维的零矩阵；协方差矩阵Rw的估计值通过采样得到其中L为快拍数，对进行特性分解得到特征向量矩阵Us的估计值构建矩阵并对该矩阵进行第二次特征分解，得到特征向量矩阵δx，δx为对角矩阵：即得到uk，k＝1,2,…,K；同理得到线阵2和线阵3对应的参数vk和wk，其中vk对应的表达式写为：由于线阵3是一个一端固定于原点进行自由旋转的阵列，其中wk对应的表达式写为：进一步地，所述的步骤S3过程如下：首先构造矩阵Q＝[X,Y,Z]T＝A·S+NQ，其中NQ为对应的3M×L维噪声矩阵，导向向量矩阵A由Ax、Ay和Az构成，有：A＝[Ax,Ay,Az]T(26)获取Q的协方差矩阵RQ有：RQ＝Q·QH(27)对RQ进行特征值分解，获得对应的噪声子空间UNQ，由于导向向量矩阵与噪声子空间存在正交关系即：AH·UNQ＝O和构造代价函数F如下：构造导向向量a(θi,φi)＝[u,v,w]T，其中u,v,w都是K×1维的向量，分别为三组特征值参数uk,vk和wk的一种排列组合，一共组合出K3组导向向量，其中代价函数最大值的K组所对应的组合即为参数配对成功的组合。进一步地，所述的步骤S4中求解目标的二维波达方向估计解的过程如下：对于第k个目标，求出方位角θk和仰角φk的估计值，利用步骤S3中配对完成的参数uk、vk和wk得到方位角θk和仰角φk的估计：进一步地，所述的步骤S5中对不同阵列夹角条件下获得的N组估计值进行处理的过程如下：调节两均匀线阵之间的夹角Δx和Δy，其中Δx取N组，Δy取N组，每一次得到(Δxi,Δyj),i＝0,1，2,…,N-1,j＝0,1，2,…,N-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于夹角可调三维阵的非圆信号水下二维DOA估计方法，其特征在于，所述的估计方法将测量N2次不同的线阵夹角值，包括步骤如下：S1、建立三维夹角可调均匀线阵的阵列信号接收模型，所述的三维夹角可调均匀线阵包括一个L型阵列和一个具有2自由度的旋臂阵列，其中L型阵列的2个子线阵分别设为线阵1和线阵2，具有2自由度的旋臂阵列设为线阵3，线阵1排布于坐标系x轴上，线阵2排布于坐标系y轴上，线阵3具有2自由度的旋转特性，线阵3与线阵1的夹角为Δx，线阵3与线阵2的夹角为Δy，夹角Δx和夹角Δy可调节，线阵1、线阵2和线阵3都为均匀线阵并都有M个接收阵元，阵元的平均间距为d；以坐标系原点为参考点，假设入射到阵列上的水下目标总个数为K，第k个目标的方位角和仰角可表示为θk和φk，θk∈[0,π]，

【技术特征摘要】
1.一种基于夹角可调三维阵的非圆信号水下二维DOA估计方法，其特征在于，所述的估计方法将测量N2次不同的线阵夹角值，包括步骤如下：S1、建立三维夹角可调均匀线阵的阵列信号接收模型，所述的三维夹角可调均匀线阵包括一个L型阵列和一个具有2自由度的旋臂阵列，其中L型阵列的2个子线阵分别设为线阵1和线阵2，具有2自由度的旋臂阵列设为线阵3，线阵1排布于坐标系x轴上，线阵2排布于坐标系y轴上，线阵3具有2自由度的旋转特性，线阵3与线阵1的夹角为Δx，线阵3与线阵2的夹角为Δy，夹角Δx和夹角Δy可调节，线阵1、线阵2和线阵3都为均匀线阵并都有M个接收阵元，阵元的平均间距为d；以坐标系原点为参考点，假设入射到阵列上的水下目标总个数为K，第k个目标的方位角和仰角可表示为θk和φk，θk∈[0,π]，同时目标与坐标系x轴、y轴的夹角分别αk和βk，目标信号满足窄带条件，即当目标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，设快拍数为L，线阵1、线阵2和线阵3的接收数据矩阵分别表示为X、Y和ZX＝AxS+Nx(1)Y＝AyS+Ny(2)Z＝AzS+Nz(3)其中S是一个K×L维的源信号矩阵，Nx,Ny和Ny则是M×L维的噪声矩阵，Ax、Ay和Az则是由方位角θk和仰角φk表示的M×K维导向向量矩阵；S2、利用基于NC-ESPRIT的非圆信号一维DOA估计算法求出线阵1、线阵2和线阵3对应的特征值参数uk、vk和wk，k＝1,2,…,K；S3、对夹角可调三维阵列中线阵1、线阵2和线阵3对应的特征值参数uk、vk和wk进行参数配对；S4、求解目标的二维波达方向估计解，即对于第k＝1,2,…,K个目标，求出方位角θk和仰角φk的估计值；S5、对不同阵列夹角条件下获得的N2组估计值进行加窗函数处理，得到最优估计结果。2.根据权利要求1所述的基于夹角可调三维阵的非圆信号水下DOA估计方法，其特征在于，所述的步骤S1中，根据信号的非圆特性有S＝ΦSR，其中为信号的非圆相位，将公式(1)、(2)和(3)写成X＝AxΦSR+Nx(4)Y＝AyΦSR+Ny(5)Z＝AzΦSR+Nz(6)其中导向向量矩阵Ax、Ay和Az表示为：Ax＝[ax(θ1,φ1)ax(θ2,φ2)…ax(θK,φK)](7)Ay＝[ay(θ1,φ1)ay(θ2,φ2)…ay(θK,φK)](8)Az＝[az(θ1,φ1)az(θ2,φ2)…az(θK,φK)](9)对于第k个目标，则有ax(θk,φk)＝[ax，0(θk,φk)…ax，M-1(θk,φk)]T(10)ay(θk,φk)＝[ay，0(θk,φk)…ay，M-1(θk,φk)]T(11)az(θk,φk)＝[az，0(θk,φk)…az，M-1(θk,φk)]T(12)设线阵3在xoy平面的投影与x轴的夹角为θz，线阵3与z轴的夹角为φz，根据线阵1、线阵2、线阵3与坐标轴的夹角关系，得到：由于导向向量受目标-原点连线与线阵之间的夹角影响，因此得到其中λk为声波的波长，即均匀线阵两相邻阵元之间的间距d要小于声波信号的半波长，而声波在探测路径上的速度v是未知的，因此取v为其范围中的最小值以确定λk的值。3.根据权利要求2所述的基于夹角可调三维阵的非圆信号水下DOA估计方法，其特征在于，所述的步骤S2过程如下：针对线阵1重构接收信号阵列，首先定义一个行交换矩阵J利用行交换矩阵J重构接收信号矩阵，重构后的接收信号矩阵Wx表示为：其中并构建Wx的协方差矩阵Rw：其中Rs是源信号实部SR的协方差矩阵，是噪声分量的方差，I2M为2M×2M的单位矩阵，对协方差矩阵Rw进行特征值分解得到因为信号子空间Us与Bx的关系有：span{Us}＝span{Bx}，因此存在一个满秩矩阵T使得UsT＝B，定义矩阵T1＝[0(M-1)×1IM-1]，T2＝[IM-10(M-1)×1]以及行交换矩阵其中O为(M-1)×M维的零矩阵；协方差矩阵Rw的估计值通过采样得到其中L为快拍数，对进行特性分解得到特征向量矩阵Us的估计值构建矩阵并对该矩阵进行第二次特征分解，得到特征向量矩阵δx，δx为对角矩阵：即得到uk,k＝1,2,…K；同理得到线阵2和线阵3对应的参数vk和wk，其中vk对应的表达式写为：由于线阵3是一个一端固定于原点进行自由旋转的阵列，其中wk对应的表达式写为：4.根据权利要求3所...

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