[发明专利]一种基于空间时频分布的水下多径信号参数估计方法

权利要求书

1.一种基于空间时频分布的水下多径信号参数估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)：在t时刻，使用由M个全向阵元组成的均匀线阵接收水下多径信号，获得t时刻的阵列输出向量Y(t)＝[y₁(t) y₂(t)…y_M(t)]^T，其中，y_m(t)表示第m个阵元的输出；

步骤(2)：采用平滑伪魏格纳分布求解阵列输出向量Y(t)的空间时频分布矩阵D_YY(t,f)；

步骤(3)：针对D_YY(t,f)中的每个采样时间切片设置一个噪声阈值，滤除时频平面上的所有噪声时频点，将经噪声阈值选择后的时频点保存至集合Ω；

步骤(4)：针对D_YY(t,f)进行预白化处理，得到白化空间时频分布矩阵根据设计筛选准则，从集合Ω中筛选出自源时频点，保存至集合Ω_A；

步骤(5)：将集合Ω_A内的所有自源时频点对应的空间时频分布矩阵组成三阶张量L表示集合Ω_A内自源时频点的数量；然后将三阶张量P转化成一个扩展的二维空间时频分布矩阵并通过对矩阵R进行奇异值分解，求解矩阵R的秩，得出信号源的数目N；

步骤(6)：脊线检测：采用前向搜索和后向搜索提取每一条多径信号对应的时频脊线，获得每一条脊线包含的自源时频点、自源时频点数目、自源时频点对应的瞬时频率；

步骤(7)：根据脊线检测的结果实现多径信号瞬时频率和方位的估计。

2.根据权利要求1所述的基于空间时频分布的水下多径信号参数估计方法，其特征在于所述的步骤(1)具体为：

在t时刻，第m个阵元的输出y_m(t)表示为：

其中，a_k,n表示第k个信源的第n条多径信号对应的衰减因子；Δf_k,n表示多普勒频移；Δt_k,n表示传播延迟；τ_k,n表示第m个阵元相对于参考阵元的接收延迟；c是声波在水中的传播速度；n_m(t)是第m个阵元接收到的平稳零均值加性高斯白噪声；s_m(t)是第m个阵元接收到的多径信号；K是远场窄带信源的数量；N_k表示第k个信源对应的多径信号的数目；是第k个信源对应的中心频率；

阵列输出向量Y(t)表示为：

Y(t)＝[y₁(t) y₂(t)…y_M(t)]^T

＝A(Θ)ΓBS(t)+N(t)

其中，A(Θ)表示阵列的方向矩阵，Γ和B表示对角矩阵，S(t)为t时刻的信号源矢量，T表示矩阵的转置，N(t)为阵列的噪声矢量。

3.根据权利要求1所述的基于空间时频分布的水下多径信号参数估计方法，其特征在于所述的步骤(2)具体为：

将阵列输出向量Y(t)进行平滑伪魏格纳变换，得到空间时频分布矩阵D_YY(t,f)，表示为：

D_YY(t,f)＝ΨD_SS(t,f)Ψ^H+δ²I_M

其中，t和f分别表示时间和频率的索引，(t,f)表示时频点，每一个时频点对应一个M*M维的空间时频分布矩阵D_YY(t,f)；Ψ＝A(Θ)ΓB，A(Θ)表示阵列的方向矩阵，Γ和B表示对角矩阵；(·)^H表示向量的复共轭转置，δ²为白噪声方差，I_M表示单位矩阵；D_SS(t,f)是多径信号的时频分布矩阵，表示为：

对角线元素表示多径信号的自源时频分布矩阵，非对角线元素表示为互源时频分布矩阵。