[發明專利]基于夾角可調非均勻線陣的水下波達方向估計方法與裝置

有效

• 申請號: 201810234211.X
• 申請日: 2018-03-21
• 公開（公告）號: CN108519576B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發明（設計）人: 寧更新;李曉鵬
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G01S3/802
• 分類號: G01S3/802
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 李斌

1.基于夾角可調非均勻線陣的水下波達方向估計方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、根據接收到的信號得出水平非均勻線陣的接收信號矩陣X(t)和傾斜非均勻線陣的接收信號矩陣Y(t)；

具體的：

窄帶目標聲源為S，中心頻率為f；在水中放置兩個夾角為α_n的非均勻線陣，一個水平方向的非均勻線陣和一個傾斜的非均勻線陣，分別設為x軸和y軸；聲波入射方向與水平非均勻線陣正軸方向的夾角為β,β∈(0,π)；兩個線陣夾角值為α_n,n＝1,2,...,N且α_n∈(0,π/2)；

兩非均勻線陣都有M個接收陣元；水平非均勻線陣第1個陣元到第m個陣元相對于原點O的位置分別為x₁,x₂,…,x_m,m＝1,2,…,M，水平非均勻線陣陣元的平均間距為傾斜非均勻線陣第一陣元到第m個陣元相對于原點O的位置分別為y₁,y₂,…,y_m,m＝1,2,…,M，傾斜非均勻線陣陣元的平均間距為

當線陣夾角為α_n時，目標聲源對應于水平線陣的方向角為θ_nx，對應于傾斜線陣的方向角為θ_ny；

水平非均勻線陣的接收信號模型可表示為：

X(t)＝A_xs_x(t)+N_x(t)

其中，s_x(t)表示t時刻到達水平非均勻線陣陣元上的目標信號，即從目標反射回來的聲波信號；為M×1的水平非均勻線陣的導向矢量矩陣，X(t)＝[x₁(t),x₂(t),…,x_M(t)]^T為M×1的水平非均勻線陣的接收信號矩陣，N_x(t)＝[n_x1(t),n_x2(t),…,n_xM(t)]^T為M×1的水平非均勻線陣的噪聲矩陣；

傾斜非均勻線陣的接收信號模型可表示為：

Y(t)＝A_ys_y(t)+N_y(t)

其中，s_y(t)表示t時刻到達傾斜非均勻線陣陣元上的目標信號，即從目標反射回來的聲波信號，為M×1的傾斜非均勻線陣的導向矢量矩陣，Y(t)＝[y₁(t),y₂(t),…,y_M(t)]^T為M×1的傾斜非均勻線陣的接收信號矩陣，N_y(t)＝[n_y1(t),n_y2(t),…,n_yM(t)]^T為M×1的傾斜非均勻線陣的噪聲矩陣；

S2、直接用EPSRIT算法對X(t)和Y(t)進行估計，得到第一次估計后的水平非均勻線陣的水平旋轉算子Φ_x1和傾斜非均勻線陣的傾斜旋轉算子Φ_y1；

S3、利用Φ_x1和Φ_y1分別得到水平初始相位補償矩陣B_x1(θ_nx1)和傾斜初始相位補償矩陣B_y1(θ_ny1)，從而計算出經過初始相位補償后的參考水平均勻線陣的接收信號矩陣和參考傾斜均勻線陣的接收信號矩陣

具體的：

P_x(θ_nx)表示實際水平非均勻線陣和參考水平均勻線陣陣元位置的偏差引起的相位偏移，

第一次估計后的P_x(θ_nx)值：

水平初始相位補償矩陣為：

于是，經過初始相位補償后的參考水平均勻線陣的接收信號陣列為：

P_y(θ_ny)表示實際傾斜非均勻線陣和參考傾斜均勻線陣陣元位置的偏差引起的相位偏移，第一次估計后的P_y1(θ_ny1)值：

傾斜初始相位補償矩陣為：

于是，經過初始相位補償后的參考傾斜均勻線陣的接收信號陣列為：

S4、對初始相位補償后的水平接收信號陣列和傾斜接收信號陣列進行迭代，得到最終的水平旋轉算子Φ_x和傾斜旋轉算子Φ_y的值；

具體的：

對于初始相位補償后的參考水平均勻線陣的接收陣列再次利用ESPRIT算法對其進行DOA估計，得到第二次估計后的水平旋轉算子的值Φ_x2，判斷是否小于ε，其中ε是一個根據實際情況而定的閾值，若小于ε，則Φ_x2就是真實角度θ_x對應的水平旋轉算子Φ_x；若不小于ε，則利用Φ_x2繼續根據步驟S3的步驟更新相位補償矩陣并估計出第二次相位補償后的均勻線陣接收信號陣列然后對其進行第三次估計得到水平旋轉算子Φ_x3，判斷其是否收斂，若不收斂，則繼續迭代，直至Φ_xt滿足以下判斷準則:

其中Φ_xt表示第t次估計后得到的水平旋轉算子的值，ε是一個根據實際情況而定的閾值；則有Φ_x＝Φ_xt；

對于初始相位補償后的參考傾斜均勻線陣的接收陣列同樣利用ESPRIT算法對其進行估計和迭代，當Φ_yt滿足以下判斷準則時：

其中Φ_yt表示第t次估計后得到的傾斜旋轉算子的值，ε是一個根據實際情況而定的閾值；則有Φ_y＝Φ_yt；

S5、計算出當前線陣夾角值下的波達方向角