[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

说明书

本发明公开了一种基于空间时频分布的水下多径信号参数估计方法，该方法将传统的阵列信号处理技术与时频分布相结合以提高系统的信号处理能力。首先，采用二次时频分布来减少交叉项和提高时频分辨率。其次，通过构造扩展的二维空间时频分布矩阵实现在被动场景下未知多径信号数目的精确估计。再次，根据信号在时频域的能量分布，引入向前向后平滑的思想以保证脊线的局部平滑性，利用属于同一多径信号的自源时频点的主特征向量相同的特性，获得每条多径信号对应脊线的时频点集合。最后，根据脊线检测结果可在欠定条件下实现多径信号瞬时频率和方位的准确估计。

技术领域

本发明涉及水下多径信号参数估计技术领域，特别涉及一种基于空间时频分布的水下多径信 号参数估计方法。

背景技术

水下方位估计技术的研究在海洋信息的获取、环境监测、资源开发、水下灾害预警、海洋权 益维护与安全防卫等方面都发挥着重要作用。

由于海洋水声信道是一个时变-空变-频变的随机多径传输信道，其存在背景噪声强、干扰源多、 可用带宽窄、传输时延大、传播损失大、多途效应以及多普勒效应等严重问题，是目前所知开发难 度最大的无线通信信道。水声信号经过海洋水声信道的传输之后会受到大量的反射和折射，接收端 除了能接收到信源发射的直达路径的信号外，还会接收到其它经过反射和折射的多径信号，这给水 下目标方位估计带来了巨大的挑战。因此，研究如何仅根据阵列接收信号在被动场景下实现多径信 号的方位估计一直是该领域的研究热点和难点，对水下通信、遥测遥控、声呐等海洋信息应用领域 都有极为重要的意义。

方位估计是阵列信号处理领域长期以来的研究热点之一，目前国内外已经涌现出大量优秀的研 究成果，例如比较典型的MUSIC算法、ESPRIT算法、最大似然估计、子空间算法及其各种突破 性改进算法，并取得了非常好的效果，已经逐渐建立了一套完整全面的理论体系。虽然当前对平稳 窄带信号的方位估计研究已经取得了丰硕的成果，但是对非平稳信号的方位估计却鲜有突破，成果 相对较少。传统的方位估计方法在处理被动场景下的多径信号的方位估计存在以下不足：

(1)传统的方位估计方法都假设信号是统计特性不随时间变化的平稳高斯过程，即线性、平 稳、高斯性。然而，水下多径信号本质上是由多个不同频率、不同幅值、不同时延的单模态信号叠 加而成的复杂多模态、非平稳信号。所有的多径信号到达接收端的时延都是不同的，多径信号的频 率成分是随时间而变化的。因此，传统的方位估计方法并不适用于多径信号的方位估计。

(2)传统的方位估计方法利用的是阵列信号的空时统计信息，没有充分挖掘利用信号本身的 时频信息，这必将会损失很多有用的信息，导致其在处理非平稳信号的方位估计问题上存在难以回 避的不足。

(3)传统的方位估计方法通常要求阵元的数目大于源信号数目，即信号环境应满足超定条件。 但是，由于实际的水下环境复杂多变，在未知信源辐射信号和水声传播信道的情况下，信源辐射信 号经多径传播到达接收端后，阵列接收到的多径信号的数目往往是未知且时变的，而接收阵元的数 目有限，因而常常会导致阵列接收到的多径信号的数目大于阵元数目的情况，即欠定条件下的方位 估计，导致传统的方位估计方法并不适用。

此外，实现多径信号参数的准确估计对反演水声传播信道以及协助目标完成定位、跟踪都具有 很强的理论及现实意义。因此，亟需解决在被动场景中实现欠定条件下的多径信号参数估计问题。

发明内容