[发明专利]一种基于同心均匀分布双圆阵的相干源DOA的估计方法

说明书

一种基于同心均匀分布双圆阵的相干源DOA的估计方法，属于定位领域。传统均匀圆阵算法的定位精度较低且对于相干源的定位效果极差。一种基于同心均匀分布双圆阵的相干源DOA的估计方法，通过延时数据的频率估计方法计算相干声源的中心频率；通过多圈相位模式的方法构造实值波束形成器；通过计算得到所述的波束空间内的代价函数，并对所述的代价函数进行二维搜索，即得到相干源DOA的估计值。本发明方法得到的估计结果精确。

技术领域

本发明涉及一种基于同心均匀分布双圆阵的相干源DOA的估计方法。

背景技术

空间信号的波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计在雷达、通信及声呐等领域有着广泛的应用。通常采用均匀线阵(Uniform linear array,ULA)来进行一维DOA估计。但是，实际应用中需要对声源的水平方向和垂直方向分别进行360度和180度扫描，而线阵的增益和指向性等特性都随着扫描角度的不同而进行改变，这在一定程度上限制了线阵的实际应用。相比较而言，均匀圆阵无论在水平方向还是垂直方向都具有极好的全向扫描能力，且在通常情况下均匀圆阵的测向范围要大于均匀线阵的测向范围。尤其是针对水下大型设备，由于空间上的限制，阵列的拓扑结构往往直接影响着定位结果。也正是因为均匀圆阵有这样的优点，目前基于均匀圆阵的二维DOA估计也得到了迅速的发展。

传统的声源波达方向算法都是建立在非相干源的基础之上。1979年Schmidt提出的多重信号分类算法(Multiple Signal Classification,MUSIC)和1986年Roy等人提出的信号参数估计旋转不变技术(Estimation Signal Parameter via RotationalInvariance Techniques,ESPRIT)实现了传统测向向现代高分辨测向的跨越，开辟了特征子空间分类算法的新领域。20世纪80年代后期，加权子空间拟合算法(Weighted SubspaceFitting,WSF)的提出将此类问题转化成为多维参数的优化问题。但是，实际海战中敌方潜艇的声诱饵频率和敌方潜艇频率保持一致，使得鱼雷不能对敌方潜艇进行精准打击，而以上算法并不能对相干源进行准确定位。如果声源之间的相干性特别强，那么以上算法的定位效果极差。所以，解决声源之间的相干性也成为阵列信号处理一个重要的研究部分。

本发明在现有的算法基础之上研究了一种利用同心均匀分布双圆阵对宽频段内相干源进行二维波达方向的估计。通过计算机仿真，在所需阵元数目符合水下平台尺寸的前提下，对于宽带相干声源的二维DOA估计有较高的估计精度且在不同信噪比和不同频率的情况下对其进行分析，均表现出了较好的定位效果。

发明内容

本发明的目的是，均匀圆阵的相干源方向估计是阵列信号处理方向的一个重要组成部分，而传统均匀圆阵算法的定位精度较低且对于相干源的定位效果极差。为了解决上述问题，在均匀圆阵的基础上，本发明提出了一种适合于在宽频段内的相干源二维波达方向估计方法。

一种基于同心均匀分布双圆阵的相干源DOA的估计方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、通过延时数据的频率估计方法计算相干声源的中心频率：

建立信号模型；之后建立接收阵列模型；之后由接收阵列模型推导出阵列延时输出信号矢量；

步骤二、通过多圈相位模式的方法构造实值波束形成器；

步骤三、通过计算得到所述的波束空间内的代价函数，并对所述的代价函数进行二维搜索，即得到相干源DOA的估计值。

本发明的有益效果为：

本发明是利用两圈均匀圆阵对三个相干源进行DOA估计。先用频率估计的方法确定中心频率。通过构造一个实值波束形成器，得到代价函数，搜索该代价函数即可得到角度的估计值。实验表明该算法在1000Hz～2000Hz内具有良好的效果。同时，当信噪比在0dB～15dB也具有尖峰，搜索效果好，且估计结果更加精确。