一种基于圆与非圆混合信号的一维水下波达方向估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于圆与非圆混合信号的一维水下波达方向估计方法，包括以下步骤：S1、建立水下一维均匀线阵的阵列信号接收数据模型，并对该数据模型进行重构；S2、对重构矩阵中的导向向量矩阵进行扩展，获得数据扩展矩阵；S3、利用数据扩展矩阵求出均匀线阵对应的特征值参数；S4、基于特征值参数求解混合信号的一维波达方向估计值，并对结果区分，得到圆与非圆信号各自对应的波达方向估计值。本发明专利技术将圆与非圆信号一起处理，通过对混合信号中的导向向量矩阵进行扩展，从而增加处理信号的个数并在结果中利用该扩展特性识别出圆与非圆信号分别对应的波达方向估计值。

An estimation method of the direction of arrival of one-dimensional underwater wave based on the mixed signals of circle and non circle

【技术实现步骤摘要】
一种基于圆与非圆混合信号的一维水下波达方向估计方法
本专利技术涉及目标定位
，具体涉及一种基于圆与非圆混合信号的一维水下波达方向估计方法。
技术介绍
水下空间的波达方向(简称：DOA)估计问题是阵列信号处理所研究的一类重要问题，它通过使用阵列来接收和处理各种不同的空间信号，从而获得空间信号中的特征信息。目前，水下波达方向估计的空间信号主要分为两类：圆信号与非圆信号。其中基于圆信号的频谱利用率高和抗噪声能力强等优点，其DOA算法被广泛使用，但该类声波信号在水下传播时会出现信号衰减问题。基于非圆信号的DOA算法便是上述问题的解决方案之一，通过利用非圆信号伪协方差矩阵不为零的特点来虚拟扩展阵列，从而增加可检测的信号数并有效抑制信号衰减。但非圆信号在接收过程中易受噪声干扰，导致其算法估计精度降低。为了弥补现有上述算法所存在的缺陷，目前现有技术中已有提出采用基于圆与非圆信号的DOA估计方法，该类基于圆与非圆信号的DOA估计方法既能够有效抑制干扰同时也能够增加处理多于阵列个数的信源个数。此外，在实际情况中圆与非圆信号往往是共存的，因此基于圆与非圆混合信号的波达方向估计算法具有更为广阔的应用前景。目前针对圆与非圆混合信号的波达方向估计方法，多采用入射信号分开估计的方式，如专利申请201510740103.6。这种方式虽然能够有效提高对信号DOA估计的分辨能力，但是对分离信号处理时需要反复构造协方差矩阵并多次进行奇异值分解，因此大大增加算法的复杂度。此外，由于在该方法中使用ESPRIT算法，因此得到的结果往往是无序的，无法区分出圆与非圆信号各自对应的波达方向值，使得该类估计方法的实用性大大降低。针对上述算法所存在的缺陷，目前亟待提出一种基于圆与非圆混合信号的水下一维DOA估计方法。
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，提供一种基于圆与非圆混合信号的一维水下波达方向估计方法，该方法将圆与非圆信号一起处理，通过对混合信号中的导向向量矩阵进行扩展，从而增加处理信号的个数并在结果中利用该扩展特性识别出圆与非圆信号分别对应的波达方向估计值。本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：一种基于圆与非圆混合信号的一维水下波达方向估计方法，包含以下步骤：S1、建立水下一维均匀线阵的阵列信号接收数据模型，并对该数据模型进行重构。S2、对重构矩阵中的导向向量矩阵进行扩展，获得数据扩展矩阵。S3、利用数据扩展矩阵求出均匀线阵对应的特征值参数。S4、基于特征值参数求解混合信号的一维波达方向估计值，并对结果区分，得到圆与非圆信号各自对应的波达方向估计值。进一步地，所述的步骤S1中的均匀线阵由M个接收阵元组成，且各阵元间距均为d。设定目标信号的个数为K，且相互独立。阵元接收到的K个源信号为si(l)，i＝1，2，3，…，K，l＝1，2…，L，l为快拍数，其中心频率均为f，对应于水平线阵的方向角为θi。该si(l)中前K1个为圆信号，后K2个为非圆率为ρ，0＜ρ≤1的非圆信号，且K1+K2＝K。水下一维均匀线阵的接收信号为：X(l)＝AS(l)+n(l)公式(1)其中，A是由入射角θi表示的M×K维导向向量矩阵，如下所示：λ为声波的波长，n(l)为M×K维的噪声矩阵，S(l)是由si(l)组成的K×1维的信号矩阵，具体用S(l)＝[s1(l)，s2(l)，…si(l)，…sK(l)]T公式(3)表示。根据非圆信号的特性有r＝K1+1，K1+2，…，K。其中，sr(l)为非圆信号，srR(l)表示为非圆信号的实部，为对应入射信号的非圆相位，公式(3)可进一步变成：其中为秩为K1的单位矩阵，表示K1×K2维的零矩阵，表示为K2×K1维的零矩阵；因此公式(1)可写为：对X(l)进行重构得到信号矩阵为Z(l)：Z(l)＝BxSR(l)+nx(l)公式(6)其中，(·)*表示为矩阵的共轭。进一步地，所述的步骤S2中对重构矩阵中的Bx进行扩展得在上式中为K×(K+K1)维的扩展矩阵。其中，H1＝IK，IK表示为秩为K的单位阵，由此公式(7)所得结果具体如下：其中，A1为A的前K1列组成的圆信号导向向量矩阵。由上述扩展矩阵得扩展信号矩阵Zw(l)：其中，Sc(l)为SR(l)前K1行圆信号矢量，Snc(l)为SR(l)后K2行非圆信号矢量。对Zw(l)构建协方差矩阵如下所示：其中E[·]表示为矩阵的期望，[·]H表示为矩阵的共轭转置，RS为的协方差矩阵，σx2为噪声信号的方差，I2M为秩为2M的单位阵。在实际情况中，协方差矩阵的估计值通过多次采样得到，因此在L次快拍数下，进一步地，所述的步骤S3中利用数据扩展矩阵求出均匀线阵对应的特征值参数的过程如下：在上式中其中J1＝[0(M-1)×1I(M-1)×(M-1)]，0(M-1)×1为(M-1)×1维的零矩阵，I(M-1)×(M-1)为秩为(M-1)的单位阵；J2＝[I(M-1)×(M-1)0(M-1)×1]。为秩为K1的对角阵，为秩为K2的对角阵。对步骤S2中得到的进行特征值分解得到特征向量矩阵US的估计值由两者的关系：可知，存在一个满秩矩阵T使得因此公式(12)可以写为下列形式：其中，由最小二乘法得：其中表示为广义逆。设为Ψ的第e个对角元，由公式(14)可知Ψ的对角线元素即为Γ的特征参数。进一步地，所述的步骤S4中基于特征值参数求得的混合信号的一维波达方向估计值可由下式计算得出：Ψ是秩为K+K1维的对角阵，因此利用公式(15)求得的估计值的个数应为K+K1。其中圆信号的波达方向估计值为K1对相同的结果，非圆信号的波达方向估计值为剩余K2个结果，因此通过结果比对，可以识别出圆与非圆信号各自对应的波达方向估计值。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：1、本专利技术在实现过程中对重构矩阵进行扩展，增加可处理信源数(即K1个圆信号)。同时该扩展会使结果增加K1个圆信号的波达方向角，因此只需简单比对结果即可识别出圆与非圆信号各自对应的的波达方向估计值，从而提高估计方法的性能。2、本专利技术能够充分利用混合信号中非圆信号的非圆特性，进而获得相当于阵列孔径扩展的效果，提高了圆与非圆混合信号的DOA估计结果的精确度。3、与传统圆与非圆信号的DOA方法相比，本专利技术通过对入射信号混合处理进而减少估计方法中构建协方差矩阵及奇异值分解的次数，使得估计方法复杂度降低，在圆与非圆混合信号的DOA估计中更具优势。附图说明图1是本专利技术实施例中水平均匀线阵的信号接收模型示意图；图2是本专利技术中公开的基于圆与非圆混合信号的一维水下波达方向估计方法的流程步骤图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于圆与非圆混合信号的一维水下波达方向估计方法，其特征在于，所述的波达方向估计方法包括以下步骤：/nS1、建立水下一维均匀线阵的阵列信号接收数据模型，并对该数据模型进行重构；/nS2、对重构矩阵中的导向向量矩阵进行扩展，获得数据扩展矩阵；/nS3、利用数据扩展矩阵求出均匀线阵对应的特征值参数；/nS4、基于特征值参数求解混合信号的一维波达方向估计值，并对结果区分，得到圆与非圆信号各自对应的波达方向估计值。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于圆与非圆混合信号的一维水下波达方向估计方法，其特征在于，所述的波达方向估计方法包括以下步骤：
S1、建立水下一维均匀线阵的阵列信号接收数据模型，并对该数据模型进行重构；
S2、对重构矩阵中的导向向量矩阵进行扩展，获得数据扩展矩阵；
S3、利用数据扩展矩阵求出均匀线阵对应的特征值参数；
S4、基于特征值参数求解混合信号的一维波达方向估计值，并对结果区分，得到圆与非圆信号各自对应的波达方向估计值。


2.根据权利要求1所述的一种基于圆与非圆混合信号的一维水下波达方向估计方法，其特征在于，所述的步骤S1过程如下：
假设水下一维均匀线阵由M个接收阵元组成，且各阵元间距均为d，设定目标信号的个数为K，且相互独立，阵元接收到的K个源信号为si(l)，i＝1,2,3,…,K，l＝1,2…,L，l为快拍数，其中心频率均为f，对应于水平线阵的方向角为θi，该si(l)中前K1个为圆信号，后K2个为非圆率为ρ，0<ρ≤1的非圆信号，且K1+K2＝K；
将水下一维均匀线阵的接收信号表示为：
X(l)＝AS(l)+n(l)公式(1)
其中，A是由入射角θi表示的M×K维导向向量矩阵，如下所示：






λ为声波的波长，n(l)为M×K维的噪声矩阵，S(l)是由si(l)组成的K×1维的信号矩阵，表示如下：
S(l)＝[s1(l),s2(l),…si(l),…sK(l)]T公式(3)
根据非圆信号的特性有r＝K1+1,K1+2,…,K，其中，sr(l)为非圆信号，srR(l)表示为非圆信号的实部，为对应入射信号的非圆相位，公式(3)进一步表示如下：



其中为秩为K1的单位矩阵，表示K1×K2维的零矩阵，表示为K2×K1维的零矩阵，
将公式(1)表示为：



对X(l)进行重构得到信号矩阵为Z(l)：
Z(l)＝BxSR(l)+nx(l)公式(6)

其中，(·)*表示为矩阵的共轭。


3.根据权利要求2所述的一种基于圆与非圆混合信号的一维水下波达方向估计方法，其特征在于，所述的步骤S2过程如下：
对重构矩阵中的B...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁更新，张书嘉，杨萃，李杰，陈芳炯，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44