[發明專利]一種聲速無關的快速二維波達方向估計方法

有效

• 申請號: 202110022718.0
• 申請日: 2021-01-08
• 公開（公告）號: CN112799008B
• 公開（公告）日: 2023-07-18
• 發明（設計）人: 寧更新;張書嘉;楊萃;張軍;馮義志;陳芳炯
• 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: 詹麗紅

本發明公開了一種聲速無關的快速二維波達方向估計方法，步驟如下：基于三平行線陣得到三個等陣元間距的子陣列接收數據模型；對子陣列接收數據模型處理得自協方差矩陣和互協方差矩陣，聯立得協方差擴展矩陣；對擴展矩陣處理得傳播算子矩陣，并基于傳播算子矩陣與擴展矩陣間的線性關系得三平行線陣對應含聲速信息的特征值參數；利用特征值參數間的角度關系消去聲速變量，并求出目標源信號的二維波達方向估計值。本方法基于陣列接收數據的協方差信息實現矩陣擴展，同時以線性變換代替特征分解的方式對擴展矩陣處理，大大降低計算量。此外在計算過程中消除信號在介質中的傳播速度，使波達方向估計值與速度無關，排除了速度對算法結果的影響。

技術領域

本發明涉及目標定位技術領域，具體涉及一種聲速無關的快速二維波達方向估計方法。

背景技術

在陣列信號處理技術中，水下波達方向估計(DOA)占有重要地位。它通過對接收信號進行處理，從而獲得信號源的位置信息。

針對二維水下波達方向估計(DOA)，許多高分辨率算法被提出來，例如ML、2D-ESPRIT、2D-MUSIC、2D-ROOT-MUSIC等。這些算法都假定目標信號在介質中的傳播速度是常量，沒有考慮速度對算法結果的影響。所以在水下環境復雜、速度變化大、未知的情況下容易產生較大誤差，降低目標定位的精確度。

在考慮去除聲速影響的算法中，利用陣列幾何關系的DOA估計方法被提出，如專利申請201822100323.4、201822100446.8。該類專利使用特定的陣列結構如三維正交陣、夾角可調三維陣作為接收陣列，實現對ESPRIT、MUSIC的改進。

基于特征值參數間的角度關系，信號在介質中的傳播速度被消去，使最終結果與速度無關。但該類專利所提方法利用陣列接收數據的奇異值分解(SVD)和互相關信息的特征值分解(EVD)獲得噪聲子空間和信號子空間，計算復雜度高，不利于對信源的快速實時定位。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有技術中存在的計算復雜度高、估計值受聲速影響等不足，提供一種聲速無關的快速二維波達方向估計方法。本方法基于陣列接收數據的協方差信息實現矩陣擴展，使陣列接收數據得到充分利用，同時以線性變換代替特征分解的方式對擴展矩陣處理，大大降低計算量。此外在估計過程中消除信號在介質中的傳播速度，使波達方向估計值與速度無關，排除了速度對算法結果的影響。

本發明的目的可以通過采取如下技術方案達到：

一種聲速無關的快速二維波達方向估計方法，所述的估計方法包括以下步驟：

S1、基于三平行線陣得到三個等陣元間距的子陣列接收數據模型；

S2、對子陣列接收數據模型處理得自協方差矩陣和互協方差矩陣，聯立得協方差擴展矩陣；

S3、對協方差擴展矩陣處理得傳播算子矩陣，并基于傳播算子矩陣與協方差擴展矩陣間的線性關系得三平行線陣對應含聲速信息的特征值參數；

S4、利用特征值參數間的角度關系消去聲速變量，并求出目標源信號的二維波達方向估計值。

進一步地，所述步驟S1中的三平行線陣由三個均勻線性子陣相互平行排布而成，三個均勻線性子陣列分別記為子陣1、子陣2和子陣3，其中，子陣1排布于坐標系x軸上，子陣2排布于坐標系x-o-y平面上，子陣3排布于坐標系x-o-z平面上，子陣2、子陣3與子陣1的平行間距為d，各子陣均由M個接收陣元組成，陣元間距均為d，以坐標系原點O作為參考陣元，則總陣元數是3M，假定目標源信號的個數為K，其中心頻率為f_i，聲速為c_i，i＝1,2,…,K，且相互獨立，對應入射到陣列的方向角設為θ_i，俯仰角設為

子陣1、子陣2和子陣3的接收數據模型X(l)、Y(l)、Z(l)分別表示為: