[發明專利]一種基于稀疏表示與重構的信號方位高分辨估計方法

有效

• 申請號: 202011064530.4
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112285647B
• 公開（公告）日: 2023-10-27
• 發明（設計）人: 殷冰潔;劉曲;趙勰;許霽
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團公司七五0試驗場
• 主分類號: G01S5/20
• 分類號: G01S5/20;G06F17/15;G06F17/16;G06F17/18;G06F30/20
• 代理公司: 昆明今威專利商標代理有限公司 53115
• 代理人: 賽曉剛

本發明公開了一種基于稀疏表示與重構的信號方位高分辨估計方法，首先，通過基于信號方位角的空間稀疏性進行稀疏表示，利用范數構造聯合稀疏向量；然后，構造稀疏重建的字典矩陣，將稀疏向量重建轉化為范數約束問題，獲取聯合協方差矩陣模型；最后，利用協方差矩陣模型求解范數最小化約束問題來實現信號方位檢測。本發明不存在表達冗余，充分利用聲矢量接收信號特點，不需要估計信號源個數，也不需要對噪聲進行抑制，聯合利用陣列接收信號x軸和y軸信息，解決了僅利用聲壓信息進行方位估計時精度低、信號分辨難的問題；本發明提供的信號方位估計精度和多信號分辨能力優于多重信號分類法(MUSIC)和傳統的自適應波束形成方法(BARTLETT)。

技術領域

本發明涉及信號方位高分辨估計方法，尤其是涉及一種基于稀疏表示與重構的信號方位高分辨估計方法，主要是用于目標探測和目標定位，屬于陣列信號處理技術領域。

背景技術

通常來說，在聲陣列信號處理的研究中，為了計算聲信號的方位，早期絕大多數研究者都是采用基本的聲壓水聽器陣列，先通過信號進行空間采樣，然后進行空間譜估計。隨著水聲技術的飛速發展，研究者們發明出新型的聲矢量水聽器，它由傳統的聲壓水聽器和質點振速水聽器復合而成，可以同步、共點測量聲場空間一點處的聲壓和質點振速的三個正交分量。因此，基于聲矢量水聽器陣列的目標方位估計技術較之聲壓水聽器陣要精準很多，研究人員越來越關注基于矢量水聽器的陣列信號處理技術。

傳統的信號方位估計方法的權矢量為陣列流形矢量，不同的掃描角度對應不同值的權矢量，繼而得到不同的空間譜值。該方法實現簡單，運算量小，穩健性強，可用于相干信號的波達方向估計。不足之處在于當入射信號相離較近時，信號可能均出現在波束主瓣內，從而失去分辨能力。與常規波束形成方法相比，多重信號分類法分辨率更高，但不適用于相干信號環境。總的來說，國內外近年來研究了大量的水聲信號方位估計相關信號處理算法，但是目前業內大多采用陣列信號處理相關方法獲取信號參數，對毗鄰入射信號的分辨能力不夠強，對復雜聲源的處理能力不夠高，對目標參數的估計不夠準確。

綜上，提供一種目標探測和目標定位較為精準的基于稀疏表示與重構的信號方位高分辨估計方法是解決上述技術問題的關鍵所在。

發明內容

本發明在于提供一種基于稀疏表示與重構的信號方位高分辨估計方法。

本發明通過以下技術方案實現：

一種基于稀疏表示與重構的信號方位高分辨估計方法，首先，通過基于信號方位角的空間稀疏性進行稀疏表示，利用范數構造聯合稀疏向量；

然后，構造稀疏重建的字典矩陣，將稀疏向量重建轉化為范數約束問題，獲取聯合協方差矩陣模型；

最后，利用協方差矩陣模型求解范數最小化約束問題來實現信號方位檢測。

優選的，建立矢量水聽器均勻線陣模型，M是矢量水聽器均勻線陣接收到的信號數量，陣元數是L，陣元間距為d，d≦v/2f，其中，v為信號傳播速度，f 對應信號的頻率，第m個信號的入射角為θ_m，0≦θ_m≦2π，m＝1，2…，M；則矢量水聽器陣列的時域輸出矢量為：

式中，x(t)表示水聽器陣列的時域輸出矢量，x_X(t)表示水聽器陣列在x軸方向的時域輸出，x_Y(t)表示y軸方向的時域輸出；表示求和；a_m表示信號導向矢量；s_m(t)表示第m個信號；n_X(t)和n_Y(t)分別是矢量水聽器陣列x軸方向和y 軸方向的加性高斯噪聲矢量，假設第0個陣元是參考陣元，f_m對應第m個信號的頻率，當信號從x-y平面入射時，具體計算式為：