[发明专利]基于夹角可调双L阵的水下二维波达方向估计方法与装置

说明书

本发明公开了一种基于夹角可调双L阵的水下二维波达方向估计方法与装置，所述方法包括：建立夹角可调双L阵的信号接收模型；分别建立三个线阵的子阵列模型，推导出两个水平阵列和垂直阵列的旋转算子表达式；分别建立三个线阵的旋转算子对角元素与各自波达方向角的关系；根据立体几何关系建立目标信号的方位角、俯仰角和到达三个线阵的波达方向角的关系；对三个线阵的子阵列的旋转算子中的对角元素进行配对；根据配对结果求出目标信号的方位角和俯仰角；设定N次不同的两水平线阵夹角值，重复以上步骤，对求出的N个目标信号的方位角和俯仰角分别取平均值得到最终目标信号的方位角和俯仰角。所述方法大大减小了水下二维波达方向估计的计算量。

技术领域

本发明涉及水下目标定位技术领域，具体涉及一种基于夹角可调双L阵的水下二维波达方向估计方法与装置。

背景技术

阵列信号处理领域中的一个关键问题就是信号波达方向(Direction ofArrival,DOA)估计，其中水下波达方向估计作为阵列信号处理的一大重要研究领域，广泛应用于海洋勘测、水下声呐系统等。原始的DOA估计都是一维DOA估计，即指在单一平面内估计目标信号的方位角，这种一维波达方向角的估计存在很大的局限性，在实际水下目标定位中，处于三维空间的目标需要二维方向角度才能准确定位，因此二维波达方向估计是一个极具现实意义的问题。波达方向估计中最经典的算法是基于特征分解的子空间算法，主要包括多重信号分类(MUSIC)算法和借助选择不变性进行信号参数估计(ESPRIT)算法，目前常用这两种算法应用于均匀L型阵列、均匀矩形阵列等二维线阵进行二维DOA估计。二维MUSIC算法是一种基于一维DOA估计而提出的渐进无偏的波达方向估计算法，由于二维MUSIC算法要进行二维的谱峰搜索，所以其计算量十分巨大。ESPRIT算法无需进行谱峰搜索从而极大地减小了计算量，因此该算法得到了广泛的应用，但是将二维ESPRIT算法直接用于二维DOA估计时，会存在角度配对的问题，从而增加了计算量。同时，现有的水下DOA估计算法需要把水下声速当成一个已知量，而在水下环境中，声速跟许多环境因素有关，是一个不断变化的参数，因此用一个固定的声速参数进行水下DOA估计会产生较大的误差。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，为克服传统二维DOA估计算法存在的缺点，提供了一种基于夹角可调双L阵的水下二维波达方向估计方法，所述方法采用一个三维的双L线阵代替传统二维DOA估计使用的二维线阵，所述三维的双L线阵，其中两个阵列之间的夹角可变，这两个线阵称为水平线阵，第三个线阵与另外两个线阵正交，这个线阵称为垂直线阵，即垂直线阵分别与两个水平线阵组成L线阵，通过对这三个线阵的接收信号进行处理，可以在算法过程中采用一维ESPRIT算法分别估计出目标的方位角和俯仰角，达到二维波达方向估计的目的，同时使结果与水下声速无关。此外，本发明所用双L线阵中两水平线阵夹角是可以调节的，而传统的双L线阵各个线阵之间的夹角是固定的，与其相比，夹角可调双L线阵在测量过程中可以设置多组角度进行多次测量，可以更有效地提高测量精度。

本发明的另一目的在于提供一种基于夹角可调双L阵的水下二维波达方向估计装置。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种基于夹角可调双L阵的水下二维波达方向估计方法，所述方法包括以下步骤：

建立夹角可调双L阵的信号接收模型；

分别建立三个线阵的子阵列模型，推导出两个水平阵列和垂直阵列的旋转算子表达式；

分别建立三个线阵的旋转算子对角元素与各自波达方向角之间的关系；

根据立体几何关系建立目标信号的方位角、俯仰角和到达三个线阵的波达方向角之间的关系；

对三个线阵的子阵列的旋转算子中的对角元素进行配对；

根据配对结果求出目标信号的方位角和俯仰角；