脉冲噪声下非均匀对角减载的波达方向估计方法及系统技术方案

本发明专利技术属于信号估计技术领域，特别涉及一种脉冲噪声下基于非均匀对角减载MVDR的波达方向估计方法及系统，依据阵列信号模型获取阵元接收信号，并利用非线性函数对阵元接收信号进行预处理，抑制脉冲噪声；将预处理后的接收信号获取阵元接收信号协方差矩阵，并对该矩阵进行求逆得到其逆矩阵；利用逆矩阵和预设的减载因子对协方差矩阵进行对角减载；针对非均匀对角减载后的协方差矩阵，利用MVDR算法来估计目标信号波达方向。本发明专利技术能够有效提升声源来向分辨性能，并进一步通过仿真实验数据验证本案算法多声源分辨能力更强，具有较好的应用前景。景。景。

【技术实现步骤摘要】
脉冲噪声下非均匀对角减载的波达方向估计方法及系统


[0001]本专利技术属于信号估计
，特别涉及一种脉冲噪声下非均匀对角减载的波达方向估计方法及系统。

技术介绍

[0002]阵列信号处理作为信号处理的一个分支，在通信、雷达、声呐、地震勘探和射电天文等领域获得广泛应用和迅速发展。水声阵列信号处理将一组水听器按一定方式布置在空间不同位置上，形成水听器阵列。利用水听器阵列来接收空间信号，相当于对空间分布的信号采样来获取信号源的空间离散观测数据；波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计技术是水下阵列信号处理技术的重要组成部分，其通过阵列信号处理手段实现空间声源信号的方位估计。实际声呐处理系统中使用较多DOA估计算法的依旧是常规波束形成(Conventional Beamforming,CBF)算法和最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)算法，主要原因在于这两种算法复杂度不高，可实时数据处理，且无需估计信源数。MVDR算法不受“瑞利限”限制，角度分辨能力高于CBF算法，但是在低信噪比环境下，其性能受限。
[0003]同时，水下噪声通常假设服从高斯分布，而浅海中存在脉冲噪声，服从Alpha稳定分布。脉冲噪声没有有限的二阶矩以及高阶矩，故传统波达方向估计方法性能下降甚至失效。

技术实现思路

[0004]为此，本专利技术提供一种脉冲噪声下非均匀对角减载的波达方向估计方法及系统，在快拍数充足情况下，非相干噪声主要叠加在协方差矩阵主对角线上，可通过非均匀对角减载提升声源方位分辨性能。
[0005]按照本专利技术所提供的设计方案，一种脉冲噪声下非均匀对角减载的波达方向估计方法，包含如下内容：
[0006]依据阵列信号模型获取阵元接收信号，并利用非线性函数对阵元接收信号进行预处理，将信号幅度变换到预设区间范围内，抑制脉冲噪声；
[0007]将预处理后的接收信号表示为矩阵形式，获取阵元接收信号协方差矩阵，并对该矩阵进行求逆得到其逆矩阵；
[0008]利用逆矩阵和预设的减载因子对协方差矩阵进行非均匀对角减载来改变其特征值分布；
[0009]针对非均匀对角减载后的协方差矩阵，利用MVDR算来估计目标信号波达方向。
[0010]作为本专利技术脉冲噪声下非均匀对角减载的波达方向估计方法，进一步地，利用非线性函数对接收信号进行预处理的过程表示为：其中，x(t)为接收信号，Δ为预设量值。
[0011]作为本专利技术脉冲噪声下非均匀对角减载的波达方向估计方法，进一步地，在预处理后接收信号的矩阵形式表示为：X(t)＝A(Θ)S(t)+N(t)，其中，A(Θ)为与接收信号阵列阵型和信号特性相关的流型矩阵，S(t)表示源信号矢量，N(t)表示加型噪声矢量。
[0012]作为本专利技术脉冲噪声下非均匀对角减载的波达方向估计方法，进一步地，非均匀对角减载过程表示为：其中，λ为预设减载因子，λ＞0，R
x
＝E[XX
H
]为协方差矩阵，为R
x
的逆矩阵。
[0013]作为本专利技术脉冲噪声下非均匀对角减载的波达方向估计方法，通过基于MVDR算法，获取空间谱，寻找空间谱功率最大的谱峰位置，依据该谱峰位置来确定目标信号来向，空间谱输出功率表示为：
[0014]进一步地，本专利技术还提供一种脉冲噪声下非均匀对角减载的波达方向估计系统，包含：信号预处理模块、信号协方差矩阵表示模块、矩阵特征值调整模块和波达方向估计模块，其中，
[0015]信号预处理模块，用于依据阵列信号模型获取阵元接收信号，并利用非线性函数对阵元接收信号进行预处理，将信号幅度变换到预设区间范围内；
[0016]信号协方差矩阵表示模块，用于将预处理后的接收信号表示为矩阵形式，获取阵元接收信号协方差矩阵，并对该矩阵进行求逆得到其逆矩阵；
[0017]矩阵特征值调整模块，用于利用预设的减载因子对逆矩阵进行非均匀对角减载来改变协方差矩阵特征值；
[0018]波达方向估计模块，用于针对非均匀对角减载后的协方差矩阵，利用MVDR算法来估计目标信号波达方向。
[0019]本专利技术的有益效果：
[0020]本专利技术针对脉冲噪声下水下声源信号波达方向估计问题，将非线性预处理、非均匀对角减载和MVDR算法相结合，利用非线性预处理手段抑制信号中的脉冲噪声以获得阵列接收信号协方差矩阵，并通过协方差矩阵减去其逆矩阵的加权，有效去除协方差矩阵主对角线上的噪声分量，最后通过MVDR空间谱图最大谱峰位置对声源来向进行估计，提升声源分辨性能。与CBF算法、MVDR算法和均匀对角减载MVDR算法相比，本案所提算法多声源分辨能力更强，具有较好的应用前景。
附图说明：
[0021]图1为实施例中脉冲噪声下非均匀对角减载的波达方向估计方法流程示意；
[0022]图2为实施例中单声源时归一化方位谱图示意；
[0023]图3为实施例中多声源时归一化方位谱图示意；
[0024]图4为实施例中多声源时归一化方位谱图局部放大示意；
[0025]图5为实施例中不同方位间隔下多声源分辨性能对比示意；
[0026]图6为实施例中不同混合信噪比下多声源分辨性能对比示意；
[0027]图7为实施例中不同阵元数下多声源分辨性能对比示意。
具体实施方式：
[0028]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和技术方案对本专利技术作进一步详细的说明。
[0029]针对脉冲噪声下水下声源信号波达方向估计问题，本专利技术实施例，提供一种脉冲噪声下非均匀对角减载的波达方向估计方法，参见图1所示，包含如下内容：
[0030]S101、依据阵列信号模型获取阵元接收信号，并利用非线性函数对阵元接收信号进行预处理，将信号幅度变换到预设区间范围内，抑制水下脉冲噪声的影响；
[0031]S102、将预处理后的接收信号表示为矩阵形式，获取阵元接收信号协方差矩阵，并对该矩阵进行求逆得到其逆矩阵；
[0032]S103、利用逆矩阵和预设的减载因子对协方差矩阵进行非均匀对角减载来改变其矩阵特征值；
[0033]S104、针对非均匀对角减载后的协方差矩阵，利用MVDR算法来估计目标信号波达方向。
[0034]本案实施例中，将非线性预处理、非均匀对角减载和MVDR算法相结合，利用非线性预处理手段抑制信号中的脉冲噪声以获得阵列接收信号协方差矩阵，并通过协方差矩阵减去其逆矩阵的加权，去除协方差矩阵主对角线上的噪声分量，最后利用MVDR空间谱图最大峰位置对声源来向进行估计，提升声源来向分辨性能。
[0035]设第k个阵元同时接收空间中的所有声源信号，其输出可以表示为：
[0036][0037]式中，g
k
(Θ
i
)为第k个阵元对于Θ
i
方向入射信号的复增益，τ
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种脉冲噪声下基于非均匀对角减载MVDR的波达方向估计方法，其特征在于，包含如下内容：依据阵列信号模型获取阵元接收信号，并利用非线性函数对阵元接收信号进行预处理，抑制脉冲噪声的影响；将预处理后的接收信号表示为矩阵形式，获取阵元接收信号协方差矩阵，并对该矩阵进行求逆得到其逆矩阵；利用预设的减载因子和逆矩阵对协方差矩阵进行对角减载；针对非均匀对角减载后的协方差矩阵，利用MVDR算法来估计目标信号波达方向。2.根据权利要求1所述的脉冲噪声下非均匀对角减载的波达方向估计方法，其特征在于，利用非线性函数对接收信号进行预处理的过程表示为：其中，x(t)为接收信号，Δ为预设小量值。3.根据权利要求1或2所述的脉冲噪声下非均匀对角减载的波达方向估计方法，其特征在于，预处理后接收信号的矩阵形式表示为：X(t)＝A(Θ)S(t)+N(t)，其中，A(Θ)为与接收信号阵列阵型和信号特性相关的流型矩阵，S(t)表示源信号矢量，N(t)表示加性噪声矢量，X(t)为阵列输出信号矢量。4.根据权利要求1所述的脉冲噪声下非均匀对角减载的波达方向估计方法，其特征在于，非均匀对角减载过程表示为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙明磊，唐强，邵高平，王彬，张连海，裴喜龙，曲晶，孟钰婷，郭艺，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学，
类型：发明
国别省市：