基于非圆信号和三维正交阵的二维水下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非圆信号和三维正交阵的二维水下DOA估计方法和装置，该估计装置在结构上选取了三维正交均匀阵列，这种阵列通过接收三个维度上子阵列的数据，能够最终得到声速无关的二维DOA估计，有效解决了声速偏差带来的估计精度下降问题，可以达到提升估计性能的目的。另外为了克服水声环境中信号快速衰减的问题，该估计装置通过将非圆信号应用到水下DOA估计中，采用了基于非圆信号的NC‑ESPRIT算法，以提升估计性能。综上，该发明专利技术结合非圆信号的优点，同时采用了三维正交阵列，根据水下环境进行了声速无关的优化，估计精度高，具有较强的实用性。

Two-Dimensional Underwater DOA Estimation Method and Device Based on Noncircular Signal and Three-Dimensional Orthogonal Array

The invention discloses a two-dimensional underwater DOA estimation method and device based on non-circular signals and three-dimensional orthogonal arrays. The estimating device selects three-dimensional orthogonal uniform arrays in structure. By receiving data from sub-arrays in three dimensions, the array can eventually obtain two-dimensional DOA estimation independent of sound velocity, which effectively solves the problem of estimation accuracy decline caused by sound velocity deviation and achieves the goal. To improve the performance of estimation. In addition, in order to overcome the problem of fast signal attenuation in underwater acoustic environment, the estimator uses NC ESPRIT algorithm based on non-circular signal to improve the estimation performance by applying non-circular signal to underwater DOA estimation. In summary, the invention combines the advantages of non-circular signals and adopts three-dimensional orthogonal array to optimize the sound speed independently according to underwater environment, with high estimation accuracy and strong practicability.

【技术实现步骤摘要】
基于非圆信号和三维正交阵的二维水下DOA估计方法和装置
本专利技术涉及目标定位的
，具体涉及一种基于非圆信号和三维正交阵的二维水下DOA估计方法和装置。
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)。而水下DOA估计则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方位估计的方法。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，导致了信号的急剧衰减。由此可见，水声信道的信号衰减限制了水声信道在远距离通信中的应用。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。DOA估计算法的原理是利用阵列接收信号之间的波程差估计空间信号的方向信息。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。目前水下DOA估计方法普遍假定声速为已知的固定量，这将影响波程差的精度。当实际声速偏离预先设定速度，估计精度将因此降低。为了提高水下DOA估计算法性能，采用基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于非圆信号和三维正交阵的二维水下DOA估计方法，其特征在于，所述的估计方法包括：S1、建立十字正交线阵的阵列信号模型，所述的阵列信号模型为一个十字正交线阵和垂直线阵3的组合，所述的十字正交线阵由线阵1和线阵2组成，其中，线阵1排布于坐标系x轴上，线阵2排布于坐标系y轴上，垂直线阵3排布于坐标系z轴上，线阵1和线阵2都各有2M‑1个接收阵元，垂直线阵3有M个接收阵元，所有相邻阵元之间的平均间距为d，将中心频率为f，非圆率为ρ,0＜ρ≤1的非圆信号作为发射信号，同时非圆信号满足窄带条件，即当非圆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...

【技术特征摘要】
1.一种基于非圆信号和三维正交阵的二维水下DOA估计方法，其特征在于，所述的估计方法包括：S1、建立十字正交线阵的阵列信号模型，所述的阵列信号模型为一个十字正交线阵和垂直线阵3的组合，所述的十字正交线阵由线阵1和线阵2组成，其中，线阵1排布于坐标系x轴上，线阵2排布于坐标系y轴上，垂直线阵3排布于坐标系z轴上，线阵1和线阵2都各有2M-1个接收阵元，垂直线阵3有M个接收阵元，所有相邻阵元之间的平均间距为d，将中心频率为f，非圆率为ρ,0＜ρ≤1的非圆信号作为发射信号，同时非圆信号满足窄带条件，即当非圆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，假设水下目标总个数为K，第k个目标的方位角和仰角表示为θk和φk，θk∈[0,π]，同时目标与坐标系x轴和y轴的夹角分别αk和βk，快拍数为L，线阵1和线阵2的接收数据矩阵分别表示为X和Y：X＝AxS+Nx(1)Y＝AyS+Ny(2)其中S是一个K×L维的源信号矩阵，Ax和Ay是(2M-1)×K维导向向量矩阵，Nx和Ny是(2M-1)×L维的噪声矩阵；S2、建立垂直线阵3的阵列信号模型，垂直线阵3有M个接收阵元，垂直线阵3的接收数据矩阵可以表示成Z：Z＝AzS+Nz(3)Az是M×K维导向向量矩阵，Nz是M×L维的噪声矩阵；S3、采用基于非圆信号的DOA算法求出线阵1、线阵2和垂直线阵3对应含声速信息的特征值参数uk、vk和wk，k＝1,2,…,K；S4、利用子空间投影角度配对法进行三组特征值参数uk,vk和wk,k＝1,2,…,K的配对；S5、求解目标的二维波达方向估计解，即对于第k,k＝1,2,…,K个目标的方位角θk和仰角φk的估计值。2.根据权利要求1所述的基于非圆信号和三维正交阵的二维水下DOA估计方法，其特征在于，所述的步骤S1中，根据发射信号的非圆特性有S＝ΦSR，其中SR为信源信号的实部，为发射信号的非圆相位，将公式(1)和公式(2)写成X＝AxΦSR+Nx(4)Y＝AyΦSR+Ny(5)由于阵列接收的非圆信号回波同时也是窄带信号，以旋转点为原点，导向向量矩阵Ax、Ay的表达式写为：Ax＝[ax(θ1,φ1)ax(θ2,φ2)…ax(θK,φK)](6)Ay＝[ay(θ1,φ1)ay(θ2,φ2)…ay(θK,φK)](7)对于第k个目标，则有ax(θk,φk)＝[ax，-M+1(θk,φk)…ax，-1(θk,φk)ax，0(θk,φk)ax，1(θk,φk)…ax，M-1(θk,φk)]T(8)ay(θk,φk)＝[ay，-M+1(θk,φk)…ay，-1(θk,φk)ay，0(θk,φk)ay，1(θk,φk)…ay，M-1(θk,φk)]T(9)根据线阵1、线阵2与坐标轴的夹角关系，得到角度α,β关于方位角和仰角的表达式因此得到其中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所述的基于非圆信号和三维正交阵的二维水下DOA估计方法，其特征在于，所述的步骤S2中，根据发射信号的非圆特性，将公式(3)写成Z＝AzΦSR+Nz(13)由于阵列接收的非圆信号回波同时也是窄带信号，以旋转点为原点，Az的表达式写为：Az＝[az(θ1,φ1)az(θ2,φ2)…az(θK,φK)](14)对于第k个目标，则有az(θk,φk)＝[az，0(θk,φk)…az，M-1(θk,φk)]T(15)4.根据权利要求3...

【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