[发明专利]基于二维正交非均匀线阵的水下波达方向估计方法与装置

说明书

本发明公开了一种基于二维正交非均匀线阵的水下波达方向估计方法与装置，本方法先对非均匀线阵的导向矩阵进行相位补偿，得到非均匀线阵对应的均匀线阵的导向矩阵，然后利用ESPRIT算法对此均匀线阵的导向矩阵进行DOA估计迭代，得到两个非均匀线阵所对应的均匀线阵上的旋转算子，再利用从目标反射回来的声波在非均匀正交线阵上形成的方向角之间关系，推导出含有两个旋转算子且不含声速的波达方向角的表达式，最后将两个旋转算子的值代入表达式中从而求得最终方向角的大小。本发明在算法过程中消去信号在介质中的传播速度，从而排除了速度对算法结果的影响，可在复杂水声环境下进行测量，使得其实用性更高，并且目标定位的精度也更高。

技术领域

本发明涉及目标定位技术领域，特别涉及一种基于二维正交非均匀线阵的水下波达方向估计方法及装置。

背景技术

空间信号的波达方向(简称：DOA)估计是阵列信号处理研究中的重点。阵列信号处理是一种在空间的不同位置放置多个传感器组成的阵列，利用阵列对空间信号进行接收和处理，抑制无用的干扰和噪声，提取有用的信号特征或信息的技术；DOA估计便是一种利用这种技术来估计信号入射角的方法。而在水面放置传感器阵列利用阵列信号处理技术来对水下目标物进行方位估计的方法就是水下DOA估计。

现有的水下DOA估计方法主要有MUSIC算法和ESPRIT算法。它们同属于特征子空间类算法，此类算法通过对阵列接收数据的数学分解(如奇异值分解、特征分解及QR分解等)，将接收数据划分为两个相互正交的子空间：一个与信号源的阵列流型空间一致的信号子空间和一个与信号子空间正交的噪声子空间，它利用两个子空间的正交性可以大大提高算法的分辨力。特征子空间类算法从处理方式上分为两类：一类是以MUSIC算法为代表的噪声子空间类算法；另一类是便以ESPRIT算法为代表的信号子空间类算法。由于非均匀线阵相对于均匀线阵具有角度分辨力好，侧向精度高，抗模糊性强的优势，并且非均匀线阵在阵元位置上可以随机放置，具有很强的灵活性，因此目前将MUSIC算法或者ESPRIT算法运用到非均匀线阵中的研究越来越多，同时也取得了较好的研究成果。但在这些基于非均匀线阵的DOA估计研究中，利用到的MUSIC算法或者ESPRIT算法都假定信号在介质中的传播速度是确定不变的，没有考虑速度对算法结果的影响，在水下环境复杂，速度变化较大、未知的情况下容易产生较大的误差，从而大大降低了目标定位的精确度。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于二维正交非均匀线阵的水下波达方向估计方法，为了克服ESPRIT算法在基于非均匀线阵的DOA估计中存在的缺点，本方法使用一个二维的正交非均匀线阵为接收阵列，实现对ESPRIT算法的改进，在算法过程中消去信号在介质中的传播速度，使最后的估计结果与速度无关，从而排除了速度对算法结果的影响，同时还利用了非均匀线阵的优势。因此，本方法在水下DOA估计中更具有实用性。

本发明的另一目的在于提供一种基于二维正交非均匀线阵的水下波达方向估计装置。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于二维正交非均匀线阵的水下波达方向估计方法，包括以下步骤：

S1、推导水平非均匀线阵和竖直非均匀线阵的接收信号模型；

S2、结合接收信号模型推导水平非均匀线阵和竖直非均匀线阵的相位补偿矩阵；

S3、求水平非均匀线阵和竖直非均匀线阵的初始相位补偿矩阵；

S4、对初始相位补偿后的水平接收信号阵列和竖直接收信号阵列进行迭代，得到最终的水平旋转算子Φ_x和竖直旋转算子Φ_y的值；

S5、推导声波在水平非均匀线阵上的方向角θ_x和在竖直非均匀线阵上的方向角θ_y之间的关系；