一种基于高阶累积量的波达估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于高阶累积量的波达估计方法，属于信号处理技术领域。该方法利用等间距直线传感器阵列所接收到的观测信号，估计出信号源的波达方向及波达时间；包括以下步骤：步骤1、对观测信号做傅里叶变换后进行空域‑频域平滑处理；步骤2、构造出空域‑频域平滑处理后信号的四阶累积量矩阵；步骤3、利用迭代地部分SVD方法，根据四阶累积量矩阵构建观测信号的信号子空间和噪声子空间；步骤4、根据观测信号的信号子空间和噪声子空间之间的正交性，估计出信号源的波达方向及波达时间。本发明专利技术还公开了一种基于声线传播时间层析的海洋声层析方法及一种定位方法。本发明专利技术可大幅降低算法的计算复杂度，提高算法实时性并降低硬件资源消耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及信号处理
，尤其涉及一种基于高阶累积量的波达估计方法。
技术介绍
波达方向(DOA)估计指的是要确定同时处在空间某一区域内多个感兴趣信号的空间位置，即各个信号到达阵列参考阵元的方向角。波达方向技术是阵列信号处理中的重要研究课题。波达方向估计技术的关键在于利用处于空间不同位置的天线阵列，接收多个不同方向的信号源发出的信号，运用现代处理方法快速且高精度地估计出信号源的方向。波达方向估计技术目前广泛应用于雷达、声纳、地震等领域。八十年代以后，学术界提出一类基于矩阵特征值分解的谱估计方法，以Schmidt等人提出的MUSIC(Multiple Signal Classification)算法为代表，它是基于信号子空间和噪声子空间的正交性，具有很好的角度分辨能力。但是当信号相关或者相干时，样本的协方差矩阵会不满秩，MUSIC算法则不能给出正确的分离结果。为了解决这个问题，学者们给出了许多方法。特别地，Jiang等人在“Raypath separation with high resolution processing”一文中，提出在点到阵列结构中，结合空域-频域平滑方法与主动宽带多信号分离算法，给出平滑的主动宽带多信号分离算法smoothing-MUSICAL(smoothing Multiple Signal Classification Active Large-band)。该算法仍然存在着一些问题：(1)分辨能力并不能满足实际应用的需求；(2)该算法基于二阶统计量，需要假设信号为高斯信号；(3)传感器阵列的阵元数目必须大于待分离信号源的数目。为了解决这些问题，一篇中国专利技术专利申请(专利技术名称为“基于高阶累积量的多路径传播声信号分离方法”，申请号为201610006173.3，申请日为2016-1-5)提出了采用基于高阶累积量的阵列信号处理方法。该方法的具体步骤如下：步骤1、对传感器所接收声信号做傅里叶变换后进行空域-频域平滑处理，获得K＝(2Ks+1)(2Kf+1)个窄带估计组成矩阵xks，kf，Ks、Kf分别为空域平滑阶次、频域平滑阶次；且K大于声源个数P；步骤2、利用下式计算矩阵xks，kf的四阶累积量 C ^ = E { ( x ‾ k s , k f ⊗ x ‾ k s , k f * ) ( x ‾ k s , k f ⊗ x ‾ k s , k f * ) H本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于高阶累积量的波达估计方法，利用等间距直线传感器阵列所接收到的观测信号，估计出信号源的波达方向及波达时间；包括以下步骤：步骤1、对所述观测信号做傅里叶变换后进行空域‑频域平滑处理，得到K＝(2Ks+1)(2Kf+1)个窄带估计作为列向量所组成的矩阵X，Ks、Kf分别为空域平滑阶次、频域平滑阶次；且K大于信号源个数N；步骤2、根据下式构造出空域‑频域平滑处理后信号的四阶累积量矩阵C：C=E{(X⊗X*)(X⊗X*)H}-E{X⊗X*}E{(X⊗X*)H}-E{XXH}⊗E{XXH}]]>X表示空域‑频域平滑处理之后得到的矩阵，E表示期望，上标*表示共轭，上标H表示共轭转置，表示克罗内克积；步骤3、根据所述四阶累积量矩阵构建观测信号的信号子空间和噪声子空间；步骤4、根据观测信号的信号子空间和噪声子空间之间的正交性，估计出信号源的波达方向及波达时间；其特征在于，所述步骤3具体包括以下子步骤：步骤301、对两个规模均为(MF)2×p的正交矩阵U、V进行随机初始化，记为U0、V0，矩阵右上角的数字标号表示迭代的次数，M为所述等间距直线传感器阵列的阵元个数，F为空域‑频域平滑处理过程中选取的频率通道数，p＝K2且p＜＜(MF)2；步骤302、对所述两个正交矩阵U、V进行迭代处理，并在每一次迭代后判断预设条件是否满足，如是，则停止迭代并转至下一步骤，否则，继续下一次迭代：对于第k次迭代：首先对矩阵C做部分SVD如下：UkHC=Vk+1Stemp1Vtemp1H]]>再对矩阵CVk做部分SVD如下：CVk=Uk+1Stemp2Vtemp2H]]>其中：矩阵右上角的数字标号k表示第k次迭代的初值，每一次的迭代更新该值；Uk，Vk表示第k次迭代的初值；Uk+1，Vk+1表示第k次迭代的更新之后的结果，亦作为下一次迭代的初值；U和V的规模均为：(MF)2×p；下标temp1和temp2表示该矩阵为临时变量，不需要保存；所述预设条件具体如下：范数1：范数2：其中，表示计算矩阵A最大的奇异值，表示矩阵A的Frobenius范数，ε为预设阈值；步骤303、截取当前矩阵U的前N2列，用表示，即为观测信号的信号子空间。...

【技术特征摘要】
1.一种基于高阶累积量的波达估计方法，利用等间距直线传感器阵列所接收到的观测信号，估计出信号源的波达方向及波达时间；包括以下步骤：步骤1、对所述观测信号做傅里叶变换后进行空域-频域平滑处理，得到K＝(2Ks+1)(2Kf+1)个窄带估计作为列向量所组成的矩阵X，Ks、Kf分别为空域平滑阶次、频域平滑阶次；且K大于信号源个数N；步骤2、根据下式构造出空域-频域平滑处理后信号的四阶累积量矩阵C： C = E { ( X ...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘杰，姜龙玉，洪亚萍，伍家松，舒华忠，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32