[發明專利]一種基于同心均勻分布雙圓陣的相干源DOA的估計方法

在審

• 申請號: 202010625989.0
• 申請日: 2020-07-01
• 公開（公告）號: CN111736111A
• 公開（公告）日: 2020-10-02
• 發明（設計）人: 董靜薇;閆寧
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: G01S3/14
• 分類號: G01S3/14
• 代理公司: 哈爾濱三目知識產權代理事務所(普通合伙) 23214
• 代理人: 劉冰

一種基于同心均勻分布雙圓陣的相干源DOA的估計方法，屬于定位領域。傳統均勻圓陣算法的定位精度較低且對于相干源的定位效果極差。一種基于同心均勻分布雙圓陣的相干源DOA的估計方法，通過延時數據的頻率估計方法計算相干聲源的中心頻率；通過多圈相位模式的方法構造實值波束形成器；通過計算得到所述的波束空間內的代價函數，并對所述的代價函數進行二維搜索，即得到相干源DOA的估計值。本發明方法得到的估計結果精確。

技術領域

本發明涉及一種基于同心均勻分布雙圓陣的相干源DOA的估計方法。

背景技術

空間信號的波達方向(Direction of Arrival,DOA)估計在雷達、通信及聲吶等領域有著廣泛的應用。通常采用均勻線陣(Uniform linear array,ULA)來進行一維DOA估計。但是，實際應用中需要對聲源的水平方向和垂直方向分別進行360度和180度掃描，而線陣的增益和指向性等特性都隨著掃描角度的不同而進行改變，這在一定程度上限制了線陣的實際應用。相比較而言，均勻圓陣無論在水平方向還是垂直方向都具有極好的全向掃描能力，且在通常情況下均勻圓陣的測向范圍要大于均勻線陣的測向范圍。尤其是針對水下大型設備，由于空間上的限制，陣列的拓撲結構往往直接影響著定位結果。也正是因為均勻圓陣有這樣的優點，目前基于均勻圓陣的二維DOA估計也得到了迅速的發展。

傳統的聲源波達方向算法都是建立在非相干源的基礎之上。1979年Schmidt提出的多重信號分類算法(Multiple Signal Classification,MUSIC)和1986年Roy等人提出的信號參數估計旋轉不變技術(Estimation Signal Parameter via RotationalInvariance Techniques,ESPRIT)實現了傳統測向向現代高分辨測向的跨越，開辟了特征子空間分類算法的新領域。20世紀80年代后期，加權子空間擬合算法(Weighted SubspaceFitting,WSF)的提出將此類問題轉化成為多維參數的優化問題。但是，實際海戰中敵方潛艇的聲誘餌頻率和敵方潛艇頻率保持一致，使得魚雷不能對敵方潛艇進行精準打擊，而以上算法并不能對相干源進行準確定位。如果聲源之間的相干性特別強，那么以上算法的定位效果極差。所以，解決聲源之間的相干性也成為陣列信號處理一個重要的研究部分。

本發明在現有的算法基礎之上研究了一種利用同心均勻分布雙圓陣對寬頻段內相干源進行二維波達方向的估計。通過計算機仿真，在所需陣元數目符合水下平臺尺寸的前提下，對于寬帶相干聲源的二維DOA估計有較高的估計精度且在不同信噪比和不同頻率的情況下對其進行分析，均表現出了較好的定位效果。

發明內容

本發明的目的是，均勻圓陣的相干源方向估計是陣列信號處理方向的一個重要組成部分，而傳統均勻圓陣算法的定位精度較低且對于相干源的定位效果極差。為了解決上述問題，在均勻圓陣的基礎上，本發明提出了一種適合于在寬頻段內的相干源二維波達方向估計方法。

一種基于同心均勻分布雙圓陣的相干源DOA的估計方法，所述方法通過以下步驟實現：

步驟一、通過延時數據的頻率估計方法計算相干聲源的中心頻率：

建立信號模型；之后建立接收陣列模型；之后由接收陣列模型推導出陣列延時輸出信號矢量；

步驟二、通過多圈相位模式的方法構造實值波束形成器；

步驟三、通過計算得到所述的波束空間內的代價函數，并對所述的代價函數進行二維搜索，即得到相干源DOA的估計值。

本發明的有益效果為：

本發明是利用兩圈均勻圓陣對三個相干源進行DOA估計。先用頻率估計的方法確定中心頻率。通過構造一個實值波束形成器，得到代價函數，搜索該代價函數即可得到角度的估計值。實驗表明該算法在1000Hz～2000Hz內具有良好的效果。同時，當信噪比在0dB～15dB也具有尖峰，搜索效果好，且估計結果更加精確。