一种基于十字形声压阵列的宽带信号方位估计方法技术

本发明专利技术公开一种基于十字形声压阵列的宽带信号方位估计方法，首先利用信号方位角的空域稀疏特性，通过稀疏表示，建立基于宽带信号频域协方差矩阵的稀疏模型；然后基于该模型构造稀疏重建的字典矩阵，将稀疏向量重建转化为范数约束问题；最后通过求解l2‑

【技术实现步骤摘要】
一种基于十字形声压阵列的宽带信号方位估计方法


[0001]本专利技术涉及一种宽带信号方位估计方法，具体的是涉及一种基于十字形声压阵列的宽带信号方位估计方法，主要是用于宽带信号检测及信号参量估计，属于信号处理


技术介绍

[0002]一般来说，由于宽带信号携带信息量大、传输距离远，有利于目标检测、参量估计和目标特征提取，因此宽带信号方位估计开始引起人们的广泛关注，其具体研究概况如图1所示。较为经典的方法包括非相干信号子空间法(ISM) 和相干信号子空间法(CSM)。ISM方法将宽带信号分解为多个子带，然后利用窄带处理方法并通过几何平均或代数平均获得信号方位估计。ISM运算简单，但由于最终的宽带信号方位估计结果是由子带估计结果简单叠加而得，因此只要任何一个子带信号方位估计结果出现较大偏差，都会对最终结果造成影响。CSM 方法首先将对应于不同频点的子带相关矩阵聚焦于同一参考频率，并通过频域平滑克服多径传播的影响，然后再利用窄带方法进行信号方位估计。与ISM方法相比，CSM方法一般具有更高的测向精度。但是，CSM方法一般需要进行信号波达方向预估计，这种估算所带来的估计误差将直接影响最终的测向质量。
[0003]其他重要的宽带信号方位估计方法包括最大似然法和信号子空间方法。其中，最大似然法需要通过多维搜索来优化最大似然函数，优化过程复杂，计算量巨大，在实际中不易实现。为此，有学者提出先对宽带信号进行三角正弦分解，然后在每个基函数，即正弦三角函数各自所映射的频点上进行多项式求根，得出各个窄带频点上对应信号的初始预估值，最后用最小二乘法对各频点的预估值进行拟合处理，从而获得信号方位估计。
[0004]之后，有学者提出基于降维处理的最大似然方法，简化了多维度下的搜索寻优计算。其本质是将宽带信号分到互不重叠窄频带，对窄带信号进行最大似然估计后根据该窄带内的信号功率大小确定权系数，该方法实时性较差。
[0005]除了以上的最大似然方法与子空间分解宽带信号方位估计方法外，21世纪初，宽带信号方位估计方法主要以信号子空间权平均法(WAVES)和子空间投影正交性检测方法(TOPS)最为典型。WAVES方法避免了信号波达方向预估计，但仍需要构造聚焦矩阵，而且协方差矩阵需要分频段获得，影响因素过多，估计精度不高；TOPS方法的空间谱很多条件下存在伪峰，在低信噪比条件下性能下降明显。
[0006]综上，提供一种目标信号估计精度高和无需进行任何预处理或角度预估计以及大大降低了算法的计算成本的基于十字形声压阵列的宽带信号方位估计方法是解决上述技术问题的关键所在。

技术实现思路

[0007]针对上述
技术介绍
中存在的诸多缺陷与不足，本专利技术对此进行了改进和创新，目的在于提供一种能够实现具有较窄的主波束和较深的零凹陷，保证其良好的分辨率的这样
一种基于十字形声压阵列的宽带信号方位估计方法。
[0008]本专利技术另一个专利技术目的是降低算法的计算成本，根据十字形声压阵的特点，利用水平线阵和垂直线阵接收到的信号信息，基于稀疏信号分解理论能够实现无需进行任何预处理或角度预估计，达到大大降低算法的计算成本。
[0009]为解决上述问题并达到上述的专利技术目的，本专利技术的一种基于十字形声压阵列的宽带信号方位估计方法是通过采用下列的技术方案来实现的：
[0010]一种基于十字形声压阵列的宽带信号方位估计方法，首先，基于信号方位角的空间稀疏性进行稀疏表示，通过稀疏表示，建立基于宽带信号频域协方差矩阵的稀疏模型；
[0011]然后，基于该模型构造稀疏重建的字典矩阵，将稀疏向量重建转化为范数约束问题；
[0012]最后，通过求解l
2-范数最小化约束问题来估计信号方位。
[0013]优选的，假设M个假设统计独立的宽带信号以相同的方式入射到均匀十字形声压线阵传感器阵列上，其中阵元数为L，阵元间距为d，其中，v为声速，f
H
对应宽带信号的最高频率，d≤v/2f
H
；
[0014]设十字形声压水听器阵在水平线阵x方向的频域输出为在垂直线阵 y方向的频域输出为其中ω
q
为第q-个频点对应的角频率，整个十字形水听器阵列的频域输出矢量为：
[0015][0016]式中，表示水听器阵列的频域输出矢量，表示水听器阵列在水平方向的频域输出，表示垂直方向的频域输出，ω
q
为第q-个频点对应的角频率；表示求和，a
m
是第m个信号s
m
(t)的导向矢量，是第m个信号的傅里叶系数，和分别是水平线阵方向和垂直线阵方向上噪声矢量的傅里叶级数；假设第0个阵元是参考阵元，f
m
对应第m个信号的频率，当信号从x-y 平面入射时，具体计算式为：
[0017][0018]其中，
[0019]a
X，m
(ω
q
)＝cosθ
m
a
s，m
(ω
q
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0020]a
Y，m
(ω
q
)＝sinθ
m
a
s，m
(ω
q
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0021][0022]式中，θ
m
是第m个信号的方位角式中，a
m
(ω
q
)是第m个信号在第q个频点处的导向矢量，(
·
)
T
表示转置；对应第m个信号水平线阵方向的导向矢量的转置，对应第m个信号垂直线阵方向的导向矢量的转置，a
s，m
表示信号在均匀线阵下的导向矢量，cosθ
m
为余弦函数，sinθ
m
为正弦函数；表示阵列阵元间的相位差，其中f
m
对应第m个信号的频率，d表示阵元间距，v为信号传播速度，l表示第1个阵元，j表示虚数单位，π表示圆周率；
[0023]十字形声压水听器阵在频域的输出矢量重新表示为：
[0024][0025]其中，
[0026][0027]A
X
(ω
q
)＝[a
X，0
(ω
q
)，..，a
X，m
(ω
q
)，
…
，a
X，M-1
(ω
q
)]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0028]A
Y
(ω
q
)＝[a
Y，0
(ω
q
)，
…
，a
Y，m
(ω
q
)，...，a
Y，M-1
(ω
q
)]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0029]式中，表示声压阵在频域的输出矢量， A...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于十字形声压阵列的宽带信号方位估计方法，其特征在于，首先，基于信号方位角的空间稀疏性进行稀疏表示，通过稀疏表示，建立基于宽带信号频域协方差矩阵的稀疏模型；然后，基于该模型构造稀疏重建的字典矩阵，将稀疏向量重建转化为范数约束问题；最后，通过求解l
2-范数最小化约束问题来估计信号方位。2.如权利要求1所述的一种基于十字形声压阵列的宽带信号方位估计方法，其特征在于，假设M个假设统计独立的宽带信号以相同的方式入射到均匀十字形声压线阵传感器阵列上，其中阵元数为L，阵元间距为d，其中，v为声速，f
H
对应宽带信号的最高频率，d≤v/2f
H
；设十字形声压水听器阵在水平线阵x方向的频域输出为在垂直线阵y方向的频域输出为其中ω
q
为第q-个频点对应的角频率，整个十字形水听器阵列的频域输出矢量为：式中，表示水听器阵列的频域输出矢量，表示水听器阵列在水平方向的频域输出，表示垂直方向的频域输出，ω
q
为第q-个频点对应的角频率；表示求和，a
m
是第m个信号s
m
(t)的导向矢量，是第m个信号的傅里叶系数，和分别是水平线阵方向和垂直线阵方向上噪声矢量的傅里叶级数；假设第0个阵元是参考阵元，f
m
对应第m个信号的频率，当信号从x-y平面入射时，具体计算式为：其中，a
X,m
(ω
q
)＝cosθ
m
a
s,m
(ω
q
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)a
Y,m
(ω
q
)＝sinθ
m
a
s,m
(ω
q
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中，θ
m
是第m个信号的方位角式中，a
m
(ω
q
)是第m个信号在第q个频点处的导向矢量，(
·
)
T
表示转置；对应第m个信号水平线阵方向的导向矢量的转置，对应第m个信号垂直线阵方向的导向矢量的转置，a
s,m
表示信号在均匀线阵下的导向矢量，cosθ
m
为余弦函数，sinθ
m
为正弦函数；表示阵列阵元间的相位差，其中f
m
对应第m个信号的频率，d表示阵元间距，v为信号传播速度，l表示第l个阵元，j表示虚数单位，π表示圆周率；十字形声压水听器阵在频域的输出矢量重新表示为：其中，
A
X
(ω
q
)＝[a
X,0
(ω
q
),..,a
X,m
(ω
q
),
…
,a
X,M-1
(ω
q
)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)A
Y
(ω
q
)＝[a
Y,0
(ω
q
),
…
,a
Y,m
(ω
q
),...,a
Y,M-1
(ω
q
)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)式中，表示声压阵在频域的输出矢量，A
X
(ω
q
)＝[a
X,0
(ω
q
),a
X,1
(ω
q
),...,a
X,M-1
(ω
q
)]和A
Y
(ω
q
)＝[a
Y,0
(ω
q
),a
Y,1
(ω
q
),...,a
Y,M-1
(ω
q
)]分别是水平线阵方向和垂直线阵方向的阵列流型矢量，其中a
X,m
对应第m个信号x轴方向的导向矢量，a
Y,m
对应第m个信号y轴方向的导向矢量；是信号频域矢量；和分别是矢量水听器阵列水平线阵方向和垂直线阵方向的加性高斯噪声矢量。3.如权利要求2所述的一种基于十字形声压阵列的宽带信号方位估计方法，其特征在于，对应于第q个频率点的水平线阵方向和垂...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷冰洁，刘曲，赵勰，许霁，石海泉，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司七五零试验场，
类型：发明
国别省市：