[发明专利]一种基于协方差扩展PM算法的波达方向估计方法

说明书

本发明针对传统基于PM算法的估计方法在存在阵列误差、信噪比低和快拍数小的应用场景下估计性能变差的问题，提出了一种基于协方差扩展PM算法的波达方向估计方法。该专利方法首先对水听器阵列接收的原始数据进行预处理，得到接收数据协方差，利用特征值分解方法得到信号子空间，借助信号子空间的旋转不变的特性，得到了一种全新的扩展协方差矩阵，基于扩展的协方差矩阵利用PM算法计算空间谱，通过对空间谱进行谱峰搜索估计出波达方向。本专利方法与传统方法相比，进一步扩展了阵列孔径，提升了角度的估计性能和处理方法的稳健性，利用更少的运算量得到更加精确的波达方向估计结果，具有重要的工程应用价值。

技术领域

本发明涉及的是一种水听器阵列的波达方向估计方法，具体的说，是一种基于协方差扩展PM算法的波达方向估计方法。

背景技术

波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计一直是阵列信号处理研究的热点，在雷达、声呐、5G移动通信、医学领域和地质勘测等领域有广泛的应用。经过几十年的发展，国内外学者提出了一系列高分辨率的DOA估计方法，比如多重信号分类(Multiple SignalClassification,MUSIC)方法，基于旋转不变性技术的信号参数估计(Estimation ofSignal Parameters via Rotational Invariance Techniques,ESPRIT)方法等，上述方法是基于特征值分解，运算量较大。Sylvie Marcos等人提出了基于传播算子(PropagationMethod,PM)的方位估计方法，并对这种方法做了性能分析，其原理是利用线性分解代替特征值分解，使运算量大大降低，但该类方位估计方法的估计性能受阵列误差、信噪比和快拍数等因素的影响较大。如果有一种处理方法，能够保持基于传播算子(PropagationMethod,PM)的方位估计方法运算量小的优点，同时增强该类方法在实际工程环境中(如存在阵列误差、阵元接收信号信噪比较低或者快拍数较少等情况)的稳健性，则可以提升该类方法在实际工程中的应用。

在实际的水下航行器探测系统中，水听器阵列数据不可避免的存在阵列误差，如水听器阵元间的耦合、水听器位置的偏差、水听器阵元的幅相通道不一致等，会造成实际接收数据与理想接收数据存在较大误差；水下航行器为了实现远距离的实时探测，水听器阵列接收数据的信噪比较低，探测系统处理数据长度有限。本专利针对水下航行器的探测需求，提出一种基于协方差扩展PM算法的波达方向估计方法，该方法运算量较小，并且对阵元误差、快拍数较少、信噪比较低的情况下，依然可以获得比较好方位估计性能。该方法可以提升水下航行器探测系统有效探测距离和系统稳定性，具有较大的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种基于协方差扩展PM算法的波达方向估计方法。其特征在于：该专利方法利用水下航行器水听器阵列接收的原始数据进信号预处理，得到接收数据协方差R_Tp，利用特征值分解方法得到信号子空间，借助信号子空间的旋转不变的特性，从而得到了一种全新的扩展协方差矩阵R，利用传统的PM算法得到了空间谱图像，从而得到精确的DOA估计。本专利方法扩展了阵列孔径，有助于实现角度的精确估计，利用更少的复杂度得到更加精确的DOA估计，具有重要的工程价值。

本发明的稳健、高精度DOA估计信号处理过程包括如下的步骤：

步骤一、长度为N的水听器阵列的接收实数据向量其中m＝1,2,…,M表示水听器阵元序号，对x_m进行希尔伯特变换，将阵列接收数据转换为复数据

步骤二、将水听器阵列接收复数据排列成矩阵形式根据水听器阵列接收复数据矩阵X计算出阵列接收数据的协方差矩阵

步骤三、对水听器阵列数据协方差矩阵进行预处理，原理是将主对角线以及与主对角线平行的各斜列数据求平均值：其中，M表示阵元个数，n＝0,1,…,M-1，令然后构造新的协方差矩阵