[發(fā)明專利]基于稀疏建模的水聲多徑信號到達時間差的估計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010816503.1
• 申請日: 2020-08-14
• 公開（公告）號: CN111948608B
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發(fā)明（設計）人: 張貞凱;江峰;林云航
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: G01S5/22
• 分類號: G01S5/22
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

1.基于稀疏建模的水聲多徑信號到達時間差的估計方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)水下目標通過發(fā)送聲波信號傳遞至參考傳感器和其他傳感器，所述參考傳感器和其他傳感器接收信號如下

當水下目標發(fā)射的載波為s(t)時，傳感器i＝1,2,…,N接收的水聲信號如下

式中β_i,k為第k條徑的增益，τ_i,k為第k條徑的時延，K為多徑數(shù)，w_i(t)是噪聲函數(shù)；

傳感器的個數(shù)為N+1，傳感器0是參考傳感器，參考傳感器接收的聲波信號表示為

式中β_0,d是第d條徑的增益，τ_0,d為第d條徑的時延，D為多徑數(shù)，w₀(t)是噪聲函數(shù)；

(2)對參考傳感器接收的信號進行時間反轉(zhuǎn)處理，將時間反轉(zhuǎn)后的信號與其余傳感器接收的信號分別做卷積運算，再對卷積后的所有信號做離散傅里葉；

對水聲信號的時間反轉(zhuǎn)如下

對y₀進行時間反轉(zhuǎn)處理得到

式中*代表卷積操作，δ(t)為單位沖激函數(shù)，

對聲波信號y_i和y′₀做卷積運算得到

式中w(t)是噪聲函數(shù)，對方程(4)做離散傅里葉變換得到

式中m的取值范圍為m＝0,1,…,M-1，M為采樣點數(shù)，f_c是載波頻率，Δf是采樣間隔，W(m)是w(t)的離散傅里葉變換，這里s(t)的離散傅里葉變換是S(m)；

(3)采樣時間先對稱擴展到負半軸然后進行細化處理，利用細化的采樣時間對所得信號進行稀疏重構，并用正交匹配追蹤方法提取出稀疏信號的所有時間差參數(shù)，提取的時間差參數(shù)應用于TDOA定位；

信號的采樣時間為p，對采樣時間進行細化：

式中n為大于一萬的正整數(shù)，使得足夠小和n遠大于KD；表示集合之間的被包含關系；

信號的稀疏重構如下

通過方程(6)，構造稀疏化矩陣寫為

式中E′是一個M×(2n+1)維矩陣，因此，矩陣方程表示為

Y＝SE′B′+W＝θB′+W (8)

式中

Y＝[Y_i,0(0),Y_i,0(1),…,Y_i,0(M-1)]^T (9)

S＝diag([S(0)S(0),…,S(M-1)S(-M+1)]) (10)

W＝[W(0),W(1),…,W(M-1)]^T (12)

θ＝SE′和B′是一個未知量；方程(8)通過正交匹配追蹤算法來求解，β_2n+1是虛擬徑的幅值，B′的行數(shù)對應時延差集合將B′所有不為零的項的行數(shù)與時間差集合一一對應，B′的第一行對應時間差-p；提取出的時間差參數(shù)乘以水下聲速確定定位所需的TDOA測量值。