[发明专利]基于非圆信号和L型线阵的水下一维DOA估计方法和装置有效
申请号: | 201811241541.8 | 申请日: | 2018-10-24 |
公开(公告)号: | CN109521392B | 公开(公告)日: | 2022-12-16 |
发明(设计)人: | 宁更新;姜伸接 | 申请(专利权)人: | 华南理工大学 |
主分类号: | G01S3/14 | 分类号: | G01S3/14 |
代理公司: | 广州市华学知识产权代理有限公司 44245 | 代理人: | 李斌 |
地址: | 510640 广*** | 国省代码: | 广东;44 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 基于 信号 型线阵 水下 doa 估计 方法 装置 | ||
1.一种基于非圆信号和L型线阵的水下一维DOA估计方法,其特征在于,所述的估计方法步骤如下:
S1、分别建立2个子线阵的非圆信号数据接收模型X和Y,其中,2个子线阵分别设为线阵1和线阵2,线阵1和线阵2为均匀线阵并成L型设置,线阵1和线阵2均位于XOY平面,其中线阵1排布于坐标系x轴上,线阵2排布于坐标系y轴上,线阵1和线阵2各有M个接收阵元,阵元的平均间距为d,将中心频率为f、非圆率为ρ,0<ρ≤1的非圆信号作为发射信号,以坐标系原点为参考点,假设水下目标总个数为K,第k个目标的一维声波入射角度表示为θk,θk∈[0,π],k=1,2,…,K,线阵1和线阵2的接收数据矩阵,即非圆信号数据接收模型X和Y分别表示为:
X=AxS+Nx (1)
Y=AyS+Ny (2)
其中,S是一个K×N维的非圆信号矩阵,Nx和Ny则是M×N维的噪声矩阵,Ax和Ay是M×K维的导向向量矩阵;
同时发射信号满足窄带条件,即当信号延迟远小于带宽倒数时,延迟作用相当于使基带信号产生一个相移;
根据发射信号的非圆特性有S=ΦSR,其中,为发射信号的非圆相位,将公式(1)和公式(2)改写成:
X=AxΦSR+Nx (3)
Y=AyΦSR+Ny (4)
将Ax和Ay由入射角θk表示成M×K维导向向量矩阵,其表达式为:
Ax=[ax(θ1) ax(θ2)…ax(θK)] (5)
Ay=[ay(θ1) ay(θ2)…ay(θK)] (6)
对于第k个目标,有:
其中λ为声波的波长;
S2、采用NC-ESPRIT算法求出线阵1和线阵2分别对应的含声速信息的特征值参数uk和vk,k=1,2,…,K;所述的步骤S2中含声速信息的特征值参数uk和vk的计算步骤如下:
对于线阵1,首先定义一个行交换矩阵J,
利用行交换矩阵J重构接收信号矩阵,重构后的接收信号矩阵表示为:
其中并构建Wx的协方差矩阵Rw:
对协方差矩阵Rw进行特征值分解,得到特征向量矩阵
定义矩阵T1=[0(M-1)×1 IM-1],T2=[IM-1 0(M-1)×1]以及行交换矩阵其中O为(M-1)×M维的零矩阵,构建再次进行特征分解,得到:
即获得uk,k=1,2,…K;
同理,利用与线阵1相同的计算过程,获得线阵2对应的特征值参数vk;
S3、根据同一次DOA估计中波长相等,对于成功匹配的特征值参数uk和vk,波长估计值的方差也应是最小的原则,对特征值参数uk和vk进行全组合遍历,共有K2个组合,每一种特征值参数uk和vk组合都利用波长表达式求出对应k个波长估计值,同时求出方差,遍历计算完毕后,对于最小方差所对应的特征值参数组合,即为匹配成功的组合;所述的步骤S3中每一种特征值参数uk和vk组合都通过公式(14)求出对应波长的方差,其中,公式(14)的计算如下:
根据公式(12)的关系,得到:
结合公式(13),得到波长的表达式:
S4、求解目标的声速无关一维波达方向估计解,即对于第k个目标,求出入射角θk的估计值;所述的步骤S4中入射角θk通过以下公式计算得出:
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