[发明专利]基于非圆信号和三维正交阵的二维水下DOA估计方法和装置

说明书

本发明公开了一种基于非圆信号和三维正交阵的二维水下DOA估计方法和装置，该估计装置在结构上选取了三维正交均匀阵列，这种阵列通过接收三个维度上子阵列的数据，能够最终得到声速无关的二维DOA估计，有效解决了声速偏差带来的估计精度下降问题，可以达到提升估计性能的目的。另外为了克服水声环境中信号快速衰减的问题，该估计装置通过将非圆信号应用到水下DOA估计中，采用了基于非圆信号的NC‑ESPRIT算法，以提升估计性能。综上，该发明结合非圆信号的优点，同时采用了三维正交阵列，根据水下环境进行了声速无关的优化，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，具体涉及一种基于非圆信号和三维正交阵的二维水下DOA估计方法和装置。

背景技术

阵列信号处理技术在众多领域已得到广泛应用，而阵列信号处理的基本问题之一是空间信号波达方向估计(DOA估计)。而水下DOA估计则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方位估计的方法。

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，导致了信号的急剧衰减。由此可见，水声信道的信号衰减限制了水声信道在远距离通信中的应用。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。DOA估计算法的原理是利用阵列接收信号之间的波程差估计空间信号的方向信息。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。目前水下DOA估计方法普遍假定声速为已知的固定量，这将影响波程差的精度。当实际声速偏离预先设定速度，估计精度将因此降低。

为了提高水下DOA估计算法性能，采用基于非圆信号的DOA估计算法成为一个重要研究方向。在非圆信号的伪协方差矩阵不为零的特征用到信号估计中，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，在复杂的水声环境中具有广阔的应用前景。

目前二维DOA估计方法所采用的阵列，多是L型阵列、圆阵和矩形阵列这类平面阵列。平面阵列在常规条件能获得比较好的估计效果，但用于声速变化的水下环境时会损失一定估计精度。

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，提供一种基于非圆信号和三维正交阵的二维水下DOA估计方法和装置，该方法通过对三个维度上均匀子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。同时由于选取了非圆信号进行发射和接收，显著的提高了估计性能。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于非圆信号和三维正交阵的二维水下DOA估计方法，所述的估计方法包括：

S1、建立十字正交线阵的阵列信号模型，所述的阵列信号模型为一个十字正交线阵和垂直线阵3的组合，所述的十字正交线阵由线阵1和线阵2组成，其中，线阵1排布于坐标系x轴上，线阵2排布于坐标系y轴上，垂直线阵3排布于坐标系z轴上，线阵1和线阵2都各有2M-1个接收阵元，垂直线阵3有M个接收阵元，所有相邻阵元之间的平均间距为d，将中心频率为f，非圆率为ρ,0＜ρ≤1的非圆信号作为发射信号，同时非圆信号满足窄带条件，即当非圆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，以坐标系原点为参考点，假设水下目标总个数为K，第k个目标的方位角和仰角表示为θ_k和φ_k，θ_k∈[0,π]，同时目标与坐标系x轴和y轴的夹角分别α_k和β_k，快拍数为L，线阵1和线阵2的接收数据矩阵分别表示为X和Y：

X＝A_xS+N_x    (1)

Y＝A_yS+N_y    (2)