[发明专利]一种声速无关的快速二维波达方向估计方法

说明书

本发明公开了一种声速无关的快速二维波达方向估计方法，步骤如下：基于三平行线阵得到三个等阵元间距的子阵列接收数据模型；对子阵列接收数据模型处理得自协方差矩阵和互协方差矩阵，联立得协方差扩展矩阵；对扩展矩阵处理得传播算子矩阵，并基于传播算子矩阵与扩展矩阵间的线性关系得三平行线阵对应含声速信息的特征值参数；利用特征值参数间的角度关系消去声速变量，并求出目标源信号的二维波达方向估计值。本方法基于阵列接收数据的协方差信息实现矩阵扩展，同时以线性变换代替特征分解的方式对扩展矩阵处理，大大降低计算量。此外在计算过程中消除信号在介质中的传播速度，使波达方向估计值与速度无关，排除了速度对算法结果的影响。

技术领域

本发明涉及目标定位技术领域，具体涉及一种声速无关的快速二维波达方向估计方法。

背景技术

在阵列信号处理技术中，水下波达方向估计(DOA)占有重要地位。它通过对接收信号进行处理，从而获得信号源的位置信息。

针对二维水下波达方向估计(DOA)，许多高分辨率算法被提出来，例如ML、2D-ESPRIT、2D-MUSIC、2D-ROOT-MUSIC等。这些算法都假定目标信号在介质中的传播速度是常量，没有考虑速度对算法结果的影响。所以在水下环境复杂、速度变化大、未知的情况下容易产生较大误差，降低目标定位的精确度。

在考虑去除声速影响的算法中，利用阵列几何关系的DOA估计方法被提出，如专利申请201822100323.4、201822100446.8。该类专利使用特定的阵列结构如三维正交阵、夹角可调三维阵作为接收阵列，实现对ESPRIT、MUSIC的改进。

基于特征值参数间的角度关系，信号在介质中的传播速度被消去，使最终结果与速度无关。但该类专利所提方法利用阵列接收数据的奇异值分解(SVD)和互相关信息的特征值分解(EVD)获得噪声子空间和信号子空间，计算复杂度高，不利于对信源的快速实时定位。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的计算复杂度高、估计值受声速影响等不足，提供一种声速无关的快速二维波达方向估计方法。本方法基于阵列接收数据的协方差信息实现矩阵扩展，使阵列接收数据得到充分利用，同时以线性变换代替特征分解的方式对扩展矩阵处理，大大降低计算量。此外在估计过程中消除信号在介质中的传播速度，使波达方向估计值与速度无关，排除了速度对算法结果的影响。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种声速无关的快速二维波达方向估计方法，所述的估计方法包括以下步骤：

S1、基于三平行线阵得到三个等阵元间距的子阵列接收数据模型；

S2、对子阵列接收数据模型处理得自协方差矩阵和互协方差矩阵，联立得协方差扩展矩阵；

S3、对协方差扩展矩阵处理得传播算子矩阵，并基于传播算子矩阵与协方差扩展矩阵间的线性关系得三平行线阵对应含声速信息的特征值参数；

S4、利用特征值参数间的角度关系消去声速变量，并求出目标源信号的二维波达方向估计值。

进一步地，所述步骤S1中的三平行线阵由三个均匀线性子阵相互平行排布而成，三个均匀线性子阵列分别记为子阵1、子阵2和子阵3，其中，子阵1排布于坐标系x轴上，子阵2排布于坐标系x-o-y平面上，子阵3排布于坐标系x-o-z平面上，子阵2、子阵3与子阵1的平行间距为d，各子阵均由M个接收阵元组成，阵元间距均为d，以坐标系原点O作为参考阵元，则总阵元数是3M，假定目标源信号的个数为K，其中心频率为f_i，声速为c_i，i＝1,2,…,K，且相互独立，对应入射到阵列的方向角设为θ_i，俯仰角设为

子阵1、子阵2和子阵3的接收数据模型X(l)、Y(l)、Z(l)分别表示为: