[发明专利]基于稀疏建模的水声多径信号到达时间差的估计方法

说明书

本发明公开了一种基于稀疏建模的水声多径信号到达时间差的估计方法，包括如下步骤：(1)水下目标通过发送声波信号传递至参考传感器和其他传感器，其中传感器接收的声波信号中含有海面反射和曲线传播等的非视距时延信息；(2)对参考传感器接收的信号进行时间反转处理，将时间反转后的信号与其余传感器接收的信号分别做卷积运算，再对卷积后的所有信号做离散傅里叶变换；(3)采样时间对称扩展到负半轴并将其细化，使得零时刻到最大采样时间这段时间区间扩展到负半轴。利用细化的采样时间对所得信号进行稀疏重构，并用正交匹配追踪方法提取出稀疏信号的所有时间差参数，提取的时间差参数应用于TDOA定位。

技术领域

本发明属于水下声源定位领域，特别涉及一种基于稀疏建模的水声多径信号到达时间差的估计方法。

背景技术

水下声源定位是水下无线传感器网络的关键技术，是自主式水下潜航器和无人潜航器等在水下长时间作业的保障。

在复杂的海洋环境下，水声信号通常伴随着严重的噪声干扰和多径效应，对水下声源定位造成了很大困难。到达时间差定位具有高复杂度和低定位要求等优势，从而成为水下声源定位的主要方法。从水声信号中提取出到达时间差参数成为了定位的首要问题，最常用的到达时间差估计方法是互模糊函数。互模糊函数能快速求解信号的到达时间差参数，但在高噪声情况下精度会下降很多。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于稀疏建模的水声多径信号到达时间差的估计方法，用于解决上述问题。

技术方案：本发明所述的一种基于稀疏建模的水声多径信号到达时间差的估计方法，包括以下步骤：

(1)水下目标通过发送声波信号传递至参考传感器和其他传感器；

(2)对参考传感器接收的信号进行时间反转处理，将时间反转后的信号与其余传感器接收的信号分别做卷积运算，再对卷积后的所有信号做离散傅里叶变换；

(3)采样时间先对称扩展到负半轴然后进行细化处理，利用细化的采样时间对所得信号进行稀疏重构，并用正交匹配追踪方法提取出稀疏信号的所有时间差参数，提取的时间差参数应用于TDOA定位。

进一步的，步骤(1)中，所述传感器接收信号如下

当水下目标发射的载波为s(t)时，传感器i(i＝1,2,…,N)接收的水声信号如下

式中β_i,k为第k条径的增益，τ_i,k为第k条径的时延，K为多径数，w_i(t)是噪声函数；

传感器的个数为N+1，传感器0是参考传感器，参考传感器接收的声波信号表示为

式中β_0,d是第d条径的增益，τ_0,d为第d条径的时延，D为多径数，w₀(t)是噪声函数。

进一步的，步骤(2)中，对水声信号的时间反转如下

对y₀进行时间反转处理得到

式中*代表卷积操作，δ(t)为单位冲激函数，

对声波信号y_i和y′₀做卷积运算得到

式中w(t)是噪声函数，对方程(4)做离散傅里叶变换得到