[發明專利]一種基于寬帶壓縮感知的超短基線水下聲源定位方法

在審

• 申請號: 202110138315.2
• 申請日: 2021-02-01
• 公開（公告）號: CN112946577A
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 楊磊;姜龍玉
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01S5/20
• 分類號: G01S5/20;G01S3/802
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 周蔚然

1.一種基于寬帶壓縮感知的超短基線水下聲源定位方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟一：通過水下滑翔機攜帶的超短基線正交十字陣列，按任意陣列處理形式，并疊加高斯隨機噪聲復矩陣N，得到陣列模擬接收數據Y；

步驟二：對超短基線陣列接收數據Y，先利用快速傅里葉變換將原陣列接收信號從時域變換到頻域，然后按照相干信號子空間方法進行數據頻域聚焦，通過T(f_i)A(f_i)＝A(f₀)將原信號多頻率聚焦到中心頻率f₀，得到聚焦信號

步驟三：利用二維寬帶l₁-SVD算法對聚焦信號進行奇異值分解，獲得原陣列接收信號對應的信號子空間Y_SV；

步驟四：利用信源位置所屬的方位角、俯仰角角度網格，構建出壓縮感知測量矩陣Θ；

步驟五：在已經獲得的信號子空間信號Y_SV以及測量矩陣Θ的基礎之上，利用凸優化算法對原始稀疏信號進行重建，預測出聲源位置的方位角和俯仰角。

2.根據權利要求1所述的一種基于寬帶壓縮感知的超短基線水下聲源定位方法，其特征在于，在步驟一中，采用的接收陣列陣元個數為4個，他們兩兩一組，成十字正交的形式分布于X軸和Y軸上，且采用任意陣模式來獲取接收信號；

其中，任意陣的陣列流形A如下形式：

其中，x_i、y_j(均＞0)分別為第i，j個陣元在對應坐標軸上的位置，滿足|x_i|＝|y_j|，λ表示信號波長，θ、分別表示入射信號的俯仰角和方位角；

采用的高斯隨機噪聲，其概率密度函數如下所示：

最終得到模擬陣列接收信號Y＝AS+N，S為原始發射信號構成的信號矩陣。

3.根據權利要求1所述的一種基于寬帶壓縮感知的超短基線水下聲源定位方法，其特征在于，在步驟二中，需利用快速傅里葉變換將陣列接收信號從時域變換到頻域，并利用相干信號子空間方法對所有頻段進行聚焦；

其中，CSM的聚焦過程集中體現在聚焦矩陣的構建上，采用旋轉子空間聚焦矩陣算法來構建聚焦矩陣，該方法使得聚焦后的陣列流形與參考頻率點的陣列流形間的誤差最小，即滿足

s.t.T(f_i)T(f_i)^H＝I

其中，i＝1，2，...，N_f，N_f表示寬帶頻率數，f_i表示寬帶頻率中對應的第i個頻率，||·||_F表示Frobenius范數，對于上述約束問題，最佳范數解為：

T(f_i)＝V(f_i)U^H(f_i)

其中，V(f_i)、U(f_i)分別為A(f_i)A^H(f₀)的左奇異值矩陣和右奇異值矩陣，通過上式的求解，就可以求得每個頻率對應的聚焦矩陣T(f_i)，那么對應的聚焦陣列流形即為

T(f_i)A(f_i)＝A(f₀)

最后，通過將所有頻率進行頻域聚焦并對每次獲得的聚焦信號求平均，即可得到最終的聚焦信號