[发明专利]基于夹角可调三维阵的非圆信号水下DOA估计方法和装置

说明书

本发明公开了一种基于夹角可调三维阵的非圆信号水下DOA估计方法和装置，使用一个二维夹角可调的均匀三维线阵作为接收阵列，这种阵列能够进行灵活测量，通过实现线阵在二个维度上的夹角可调进行多次测量，可以达到提升估计性能的目的。为了克服水声环境中信号快速衰减的问题，通过将非圆信号应用到水下DOA估计中，采用基于非圆信号的NC‑ESPRIT算法，以提升估计性能；为了消除声速影响造成的估计偏差，采用声速无关的二维DOA估计表达式；同时为了实现三维夹角可调均匀线阵下的三组参数的成功配对，采用了一种基于子空间投影角度配对的三参数配对方法，提升了水下DOA估计精度。综上，本发明估计精度高，具有较强的实用性。

技术领域

本发明涉及目标定位的技术领域，具体涉及一种基于夹角可调三维阵的非圆信号水下DOA估计方法和装置。

背景技术

空间信号波达方向估计(DOA估计)在众多领域已得到广泛应用，二维水下DOA估计就是指在水面放置传感器阵列利用阵列信号处理技术来对水下目标物进行二维波达方向估计的方法。现有的水下DOA估计方法主要有MUSIC算法和ESPRIT算法。

水下DOA估计采用声波作为传播载体，由于声波信号在水下环境传播时，水声信道中的各种障碍物及崎岖不平的海底造成的声波散射作用，导致了信号的衰减。除了水声环境造成信号的快速衰减，水下DOA估计面临的另一个问题就是声速影响。由于河流和海洋等水下环境复杂且不稳定，声波的速度随位置和时间而变化，水下DOA算法的估计精度受到很大影响，当实际声速偏离预先设定速度，估计精度将因此降低。

基于非圆信号的DOA估计算法中，非圆信号伪协方差矩阵不为零的特征相当于虚拟扩展阵列，能够显著的提高估计性能。同时非圆信号虚拟阵元的增加也使得算法可以处理多于阵列个数的信源个数。但是目前基于非圆信号的二维波达方向估计方法多采用固定直角的正交线阵结构。这类常规阵列结构固定，不易变动，对结构稳定性要求比较高，对应的灵活性下降。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于夹角可调三维阵的非圆信号水下DOA估计方法和装置，通过对均匀线阵的接收信号进行处理，在二维DOA波达方向估计中消除声速这个因子，从而消除水下声速不确定性对目标定位精度的影响。同时由于均匀线阵的二维夹角可变，给阵列的排布方式带来了很大的灵活性，在实际测量中可以改变夹角进行多次测量，更好地消除误差。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于夹角可调三维线阵和非圆信号在未知声速环境进行的水下二维波达方向估计的方法，该方法将测量N²次不同的线阵夹角值，所述的估计方法步骤如下：

S1、建立三维夹角可调均匀线阵的阵列信号接收模型，所述的三维夹角可调均匀线阵包括一个L型阵列和一个具有2自由度的旋臂阵列，其中L型阵列的2个子线阵分别设为线阵1和线阵2，具有2自由度的旋臂阵列设为线阵3，线阵1排布于坐标系x轴上，线阵2排布于坐标系y轴上，线阵3具有2自由度的旋转特性，线阵3与线阵1的夹角为Δx，线阵3与线阵2的夹角为Δy，夹角Δx和夹角Δy可调节，线阵1、线阵2和线阵3都为均匀线阵并都有M个接收阵元，阵元的平均间距为d；以坐标系原点为参考点，假设入射到阵列上的水下目标总个数为K，第k个目标的方位角和仰角可表示为θ_k和φ_k，θ_k∈[0,π]，同时目标与坐标系x轴、y轴的夹角分别α_k和β_k，目标信号满足窄带条件，即当目标信号延迟远小于带宽倒数时，延迟作用相当于使基带信号产生一个相移，快拍数为L，线阵1、线阵2和线阵3的接收数据矩阵分别表示为X、Y和Z：

X＝A_xS+N_x    (1)

Y＝A_yS+N_y    (2)