[发明专利]一种基于线性环境噪声模型的子空间方位估计方法

说明书

本发明涉及一种基于线性环境噪声模型的子空间方位估计方法，对于实际的噪声环境，由于风成噪声和航船噪声的影响，其空间噪声强度分布是非均匀的，使用线性噪声模型进行建模，将空间噪声功率分布函数进行Fourier级数展开，利用有限项Fourier级数近似拟合环境噪声模型。提取出线性噪声模型条件下的信号子空间，利用信号子空间与噪声子空间的正交性得到目标的方位估计。

技术领域

本发明属于阵列信号处理、声呐信号处理等领域，涉及一种基于线性环境噪声模型的子空间方位估计方法。

背景技术

基于传感器阵列的方位估计(Direction of Arrival,DOA)在声纳、雷达等领域得到广泛的应用。利用水平放置的水听器阵列对水下和水面多目标进行高分辨的方位估计是水下阵列信号处理的重要内容，也是进行水中目标探测和定位的关键技术。

声呐阵列放置在海洋环境中，阵列接收信号除了目标信号外还有海洋环境噪声。海洋环境噪声是海洋声场的背景场，对海洋环境噪声的研究可以降低或抑制环境噪声对水下设备的干扰，提高水下设备的性能和作用距离。海洋环境噪声的产生因素很多，通常包括潮夕、波浪所引起的压力波和湍流引起的压力脉动，以及地震活动、风动海面、降雨、分子热运动、海洋中生物群体的活动等。目前大多数方位估计方法均假设环境噪声为高斯白噪声，即噪声协方差矩阵可以写成噪声方差与单位矩阵的乘积形式。然而，实际各阵元接收的海洋环境噪声可能是相关的，并且由于风成噪声和远处航船噪声等因素的影响，环境噪声强度的空间分布也可能具有方向性，其在水平方向上是随着角度变化的慢变函数。因此，在复杂海洋环境条件下，白噪声假设的噪声模型可能造成严重的方位估计偏差。

目前主要的方位估计方法有常规波束形成算法和最小方差无失真波束形成算法等。常规波束形成算法是基于常规波束形成的扫描测向方法，具有结构简单计算量小的特点，并且环境噪声模型误差具有一定的稳健性，然而受到“瑞利准则”的限制，空间方位分辨能力较差；最小方差无失真波束形成算法利用CAPON自适应波束形成器实现空间扫描波束输出功率谱估计，空间方位分辨能力优于常规波束形成算法，然而该算法假设噪声模型为白噪声模型。S.D.Somasundaram研究了宽带稳健的最小方差无失真波束形成器设计方法(Somasundaram S D.Wideband Robust Capon Beamforming for Passive Sonar.IEEEJournal of Oceanic Engineering,2013,38(2):308-322.)，并将其应用于被动声纳的多目标探测，提高了目标的空间分辨能力，但其噪声模型仍假设为白噪声模型，对于复杂环境噪声条件的方位估计性能仍需检验。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于线性环境噪声模型的子空间方位估计方法，针对水平固定布放的水听器基阵，能够在复杂海洋环境噪声条件下实现高分辨水下目标方位估计。

技术方案

一种基于线性环境噪声模型的子空间方位估计方法，其特征在于：采用水平放置于水下的直线传感器基阵，称为水平阵列；阵元数为M，阵元间距为d，K个目标数分布在该水平阵列的远场范围内，估计步骤如下：

步骤1：x(n),n＝1,…,N为直线传感器基阵列的输出向量，计算阵列输出向量的采样协方差矩阵

其中：N是数据点数，上标“H”为共轭转置算子；

步骤2、估计模型阶数：首先在无水下探测目标K-0时，计算常规波束形成方位谱图：

其中：a(θ)为阵列流形向量a(θ)＝[1,exp(-j2πfτ),…,exp{-j2πf(M-1)τ}]^T，f为信号频率，τ＝dsinθ/c，d为阵元间距，c为声速，θ为空间方位角度；