一种基于水平线阵的浅海阵列分组加权DOA估计方法技术

本发明专利技术属于水声信号处理分析领域，公开了一种基于水平线阵的浅海阵列分组加权DOA估计方法，具体为：在浅海波导中发射窄带脉冲声源，信号源经过浅海声道后在接收点得到接收信号，按照不同的阵元间隔对线阵进行拆分，将一组阵列拆为了许多组阵元间隔不同的阵列，分别利用每组阵列上接收到的数据，进行DOA估计，最后按照泰勒级数的方式将阵列对每组阵列估计的结果进行加权，得到最终的DOA估计值。在特征值分解完成后，对噪声子空间进行修正。本方法在阵列数的前提下，充分利用阵列数据，显著提高了DOA估计的精度。DOA估计的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于水平线阵的浅海阵列分组加权DOA估计方法


[0001]本专利技术属于水声信号处理分析领域，具体的说是涉及一种于阵列分组加权子空间加权的DOA估计方法。

技术介绍

[0002]波达方向(DOA)估计是目标参数估计中最关键的一个参数，在水下目标定位、水下通信、海洋资源勘测、海洋考古等领域发挥着重要作用。水声通信技术的发展，水声阵列信号DOA估计技术已经成为对水声目标进行识别、定位、跟踪和探测等研究的先决条件。但是相比于空域电磁信道，水声信道无比复杂，传统空域DOA算法无法在水声阵列DOA估计当中保证其良好的效果，具有较大的局限性。

技术实现思路

[0003]为了解决现有技术中DOA算法在水声阵列DOA估计精度差、速度慢的技术缺陷，本专利技术提供了一种最大限度阵元数据的、操作方便且计算速度快的、适用于浅海波导中窄带脉冲的高精度DOA估计方法。
[0004]为了达到上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]本专利技术是一种基于水平线阵的浅海阵列分组加权DOA估计方法，包括如下步骤：
[0006]步骤a，在浅海波导中发射窄带脉冲声源S，浅海波导的海底条件为硬质均匀海底，信号源经过浅海声道后在接收点得到收信号X；
[0007]步骤b，对接收信号X按照阵元间隔进行分组，得到各组阵列的接收数据表示为X1,X2,
…
,Xk(k为序号,k＝1,2,3,
…
)；
[0008]步骤c，按公式(1)求得各组的协方差矩阵，然后对协方差矩阵做特征值分解，得到信号子空间Us，噪声子空间Un；
[0009][0010]式(1)中R
k
为协方差矩阵，(.)
H
表示矩阵的共轭转置，E(.)表示求期望。Λ
s
＝diag(λ1,λ2,...,λ
i
)是由较大的i个特征值构成的信号特征矩阵，Λ
N
＝diag(λ
i+1
,λ
i+2
,...,λ
M
)是由较小特征值构成的噪声特征矩阵，λ表示特征值。U
s
＝[u1,u2,...,u
i
]，U
N
＝[u
i+1
,u
i+2
,...,u
M
]，u表示特征向量。i为信号源的个数，M为阵元个数，diag(.)表示用括号中值生成对角矩阵。
[0011]步骤d，根据式(2)对得到的噪声子空间Un进行修正，得到约束加权的子空间C
n
；
[0012][0013]步骤e，按照MUSIC算法，利用修正后的噪声子空间求解各组信号的空间谱函数P
k
‑
MUSIC
；
[0014][0015]式中A(θ)为阵列导向矩阵。
[0016]步骤f，对各组求解出来的空间谱函数按照泰勒级数进行加权处理，得到最终的信号空间谱函数P
MUSCI
。对空间谱函数进行谱峰搜索，谱峰对应的方向即为DOA估计值。
[0017][0018]式(4)中P
MUSCI
为最终空间谱函数，P
k
‑
MUSIC
为各组空间谱函数，k＝1,2,
…
,n，(.)！表示阶乘。
[0019]进一步地，所述步骤a中，窄带脉冲声源；声源传播环境为浅海波导，其具体环境条件为：波导特征不在水平方向上发生变化，波导为水平分层的，且具有硬质均匀高声速海底；声源位置为海水中任意位置；接收为水平线阵接收；接收位置位于海水中任意位置。
[0020]进一步地，所述步骤b中，阵列分组按照相临阵元间隔不断增大的方式选取阵元。
[0021]本专利技术的有益效果是：
[0022]本专利技术可以充分利用现有的阵列接收数据，提高DOA估计的精度；
[0023]本专利技术不需要新增阵元数，降低硬件成本；
[0024]本专利技术操作方便、算法简单，且数据处理量小，计算速度快，具有较高的准确度。
附图说明
[0025]图1为本专利技术估计方法的流程图。
[0026]图2为本专利技术方法和传统方法的方位空间谱图对比图。
具体实施方式
[0027]以下将以图式揭露本专利技术的实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本专利技术。也就是说，在本专利技术的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。
[0028]如图1所示，本专利技术是一种基于水平线阵的浅海阵列分组加权DOA估计方法，该方法包括如下步骤：
[0029]步骤1、在浅海波导中发射窄带脉冲声源S，所述窄带脉冲声源S的信号源经过浅海声道后在接收点得到接收信号X；
[0030]所述窄带脉冲声源S的声源传播环境为浅海波导，具体环境为：波导特征不在水平方向上发生变化，波导为水平分层的，且具有硬质均匀高声速海底，声源位置为海水中任意位置，接收为水平线阵接收，接收位置位于海水中任意位置。
[0031]步骤2、对步骤1的接收信号X按照阵元间隔进行阵列分组，所述阵列分组按照相临阵元间隔不断增大的方式选取阵元，得到各组阵列的接收数据表示为X1,X2,
…
，Xk，其中k为序号，k≥1；
[0032]步骤3、利用公式(1)求得步骤2中各组阵列的协方差矩阵，对所述协方差矩阵做特征值分解，得到信号子空间Us，噪声子空间Un，
[0033][0034]式中R
k
为协方差矩阵，(.)
H
表示矩阵的共轭转置，E(.)表示求期望，Λ
s
＝diag(λ1,λ2,...,λ
i
)是由较大的i个特征值构成的信号特征矩阵，Λ
N
＝diag(λ
i+1
,λ
i+2
,...,λ
M
)是由较小特征值构成的噪声特征矩阵，λ表示特征值，U
s
＝[u1,u2,...,u
i
]，U
N
＝[u
i+1
,u
i+2
,...,u
M
]，u表示特征向量，i为信号源的个数，M为阵元个数，diag(.)表示用括号中值生成对角矩阵。
[0035]步骤4、利用公式(2)对步骤3得到的噪声子空间Un进行修正，得到约束加权的子空间C
n
。
[0036][0037]步骤5、按照MUSIC算法，利用步骤4修正后的噪声子空间Un求解各组信号的空间谱函数P
k
‑
MUSIC
；
[0038][0039]式中A(θ)为阵列导向矩阵，C
n
为约束加权噪声子空间，θ为角度；
[0040]步骤6、对各组求解出来的空间谱函数按照泰勒级本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于水平线阵的浅海阵列分组加权DOA估计方法，其特征在于：所述浅海阵列分组加权DOA估计方法包括如下步骤：步骤1、在浅海波导中发射窄带脉冲声源S，浅海波导的海底条件为硬质均匀海底，所述窄带脉冲声源S的信号源经过浅海声道后在接收点得到接收信号X；步骤2、对步骤1的接收信号X按照阵元间隔进行阵列分组，得到各组阵列的接收数据表示为X1,X2,
…
,Xk，其中k为序号，k≥1；步骤3、求得步骤2中各组阵列的协方差矩阵，对所述协方差矩阵做特征值分解，得到信号子空间Us，噪声子空间Un，步骤4、对步骤3得到的噪声子空间Un进行修正，得到约束加权的子空间C
n
；步骤5、按照MUSIC算法，利用步骤4修正后的噪声子空间Un求解各组信号的空间谱函数；步骤6、对各组求解出来的空间谱函数按照泰勒级数进行加权处理，得到最终的信号空间谱函数；步骤7、对空间谱函数进行谱峰搜索，谱峰对应的方向即为DOA估计值。2.根据权利要求1所述的一种基于水平线阵的浅海阵列分组加权DOA估计方法，其特征在于：所述步骤1中，所述窄带脉冲声源S的声源传播环境为浅海波导。3.根据权利要求2所述的一种基于水平线阵的浅海阵列分组...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆虹宇，李晓曼，陈鸿运，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：