【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于海洋声学测量与探测设备，是一种双端放置辅助阵元的嵌套水听器阵doa估计方法，具体的说，是一种在嵌套水听器阵前端、中部和后端添加辅助阵元形成新阵列，将新阵列接收数据划分为两个均匀子阵数据，利用相位误差矢量和能量归一化，实现两个均匀阵列的幅相误差的校正，将校正后的数据重新排序组合并计算校正后数据的协方差矩阵；通过水听器位置的差分操作得到虚拟阵列，去冗余并重新排序后，结合后向平滑进行doa估计的一种方法。
技术介绍
1、海洋总面积约为3.6亿平方千米，平均水深约3795米，当今人类已探索的海底仅有5％，为了充分利用丰富的海洋资源，越来越多的海洋专用仪器被用于水下信息的采集、处理和传输。其中，由于潜标可检测多种数据，能够实现多参数同步探测，且可以长时间放在海洋中，持续获取数据，被广泛应用于移动观测平台、海上平台基观测台等场景，在海洋科学研究中发挥着重要的作用。然而，海水的腐蚀以及海洋浮游生物的附着，会导致潜标受损，进而产生误差，影响探测精度。在此背景下，研究稳健的目标参数估计方法，并将其应用到潜标、海洋移动观测平台等海洋专用仪器中具有重要的意义。
2、在阵列信号处理中，波达方向估计是一个重要分支，广泛应用于雷达、声呐、无线通信、水下目标检测及生物医学工程等多个领域。传统的doa估计算法主要包括基于特征分解的music方法和esprit方法等。在大多数情况下，这些经典算法基本能够达到较高的准确度，满足日常需求。在实际工程应用中，长期处于海水中的潜标由于海水侵蚀或浮游生物附着等原因，会产生幅相误差，进而影响阵列流型
3、此外，均匀线列阵自由度(degree of freedom,dof)有限，阵元数为n的均匀线阵最多能估计n-1个信号源。并且，在实际的工程应用中，增加阵列的阵元个数会带来硬件设备、成本的急剧增加。针对这一问题，提出了嵌套阵的思想。然而，对嵌套阵这类阵元位置不均匀的阵列进行相位误差校正时，由于阵元位置不均匀，计算得到的相位误差容易产生偏差，进而造成估计性能的下降。
4、本专利提出一种双端放置辅助阵元的嵌套水听器阵doa估计方法，该专利方法在嵌套水听器阵前端、中部和后端添加辅助阵元形成新阵列，将新阵列接收数据划分为两个均匀子阵数据，利用相位误差矢量和能量归一化，实现两个均匀阵列的幅相误差的校正，将校正后的数据重新排序组合并计算校正后数据的协方差矩阵；通过水听器位置的差分操作得到虚拟阵列，去冗余并重新排序后，结合平滑方法进行doa估计。在能够完成信源数大于阵元数的欠定doa估计的同时，可以很好的消除幅相误差对估计结果带来的影响，提高了估计精度，同时进行了空洞填充，提高了自由度，具有更高的实际工程应用价值。
技术实现思路
1、本专利针对传统的嵌套阵doa估计方法在实际工程中由于幅相误差的影响导致估计性能明显下降的问题，提出了一种双端放置辅助阵元的嵌套水听器阵doa估计方法。其特征在于：该专利方法在嵌套水听器阵前端、中部和后端添加辅助阵元形成新阵列，将新阵列接收数据划分为两个均匀子阵数据，利用相位误差矢量和能量归一化，实现两个均匀阵列的幅相误差的校正，将校正后的数据重新排序组合并计算校正后数据的协方差矩阵；通过水听器位置的差分操作得到虚拟阵列，去冗余并重新排序后，结合后向平滑进行doa估计。本专利方法在能够完成信源数大于阵元数的欠定doa估计的同时，可以很好的消除幅相误差对估计结果带来的影响，提高了估计精度，同时进行了空洞填充，提高了自由度具有更高的实际工程应用价值。
2、本专利方法使用m个水听器，按照二级嵌套阵构成信号接收系统，第一级子阵的阵元间距由m1个水听器组成；第二级子阵的阵元间距d2＝(m1+1)d1，由m2个水听器组成，其中m1+m2＝m，λ为信号的波长；将嵌套阵的第一个阵元位置看做0，将p＝3个校正过的辅助阵元置于-d1、(m1+1)d1和[m2(m1+1)+m1]d1处；新阵列的阵元数为n＝m+p；阵元物理位置记为：d＝[-(m1+2),-2,-1,0,1,…,m1-1,m1,2m1+1,…,(m2-1)(m1+1)+m1]t*d1；n个水听器阵的接收数据记为x(t)＝[x1(t),x2(t),…,xn(t)]t，水听器阵的doa估计方法的步骤如下：
3、步骤一：对n个水听器的接收数据进行希尔伯特变换，将其转换为复信号，水听器阵列接收信号x(t)的复信号形式为其中表示存在幅相误差时阵列流型矩阵，t＝1,2,…,l表示采样序号，表示入射信号向量，表示水听器阵的噪声复向量；
4、步骤二：将新阵列划分为两个均匀线阵，子阵1由第一级子阵和位于-d1、m1d1和(m1+1)d1处的三个辅助阵元组成，阵元数为m1+3；子阵2由第二级子阵和位于-d1、[m2(m1+1)+m1]d1处的两个辅助阵元组成，阵元数为m2+2；
5、步骤三：由于接收数据向量xi(t)i＝1,2,…,n和阵元位置具有一一对应性，因此，将n阵元新阵列的接收数据划分为两个均匀线阵的接收数据和根据公式计算子阵1接收数据复信号的协方差矩阵其中l为快拍数，[·]h表示矩阵的共轭转置；根据公式计算子阵2接收数据复信号的协方差矩阵
6、步骤四：提取子阵1协方差矩阵的相位信息其中angle(·)表示提取相位信息；利用相位信息矩阵的上三角元素计算相位误差，相位信息矩阵的上三角元素构成的上三角矩阵记为其中表示相位误差，由于第一个阵元和最后一个阵元为精确校正过的辅助阵元，因此，令m表示行标号，n表示列标号；
7、步骤五：提取紧邻主对角的第一条斜对角线元素和由于可得同时，对于第一条斜对角线元素，每一个元素加上并令那么，由结合线性代数，得由于上式可以简化为由上式解得相位误差矢量
8、步骤六：对子阵1的m1+3个水听器的接收数据乘以相应的相位校正因子，校正因子的形式为实现对相位的校正，校正后的数据记为
9、步骤七：根据离散信号能量的计算公式计算相位校正后的数据中每个水听器的平均能量通过公式得到幅度校正矢量
10、步骤八：对子阵1的m1+3个水听器的经过相位校正后的数据乘以相应的幅度校正因子，实现对幅度的校正；子阵1校正后的数据可表示为x1(t)；
11、步骤九：对子阵2的数据协方差子阵重复步骤四、步骤五、步骤六、步骤七和步骤八的计算过程，得到子阵2校正后的数据可表示为x2(t)；
12、步骤十：根据两个均匀线阵中各阵元的位置关系，对x1(t)和x2(t)中的向量按照公式
13、中进行排序和重组，得到新阵列去除幅相误差后的接收数据矩阵x(t)；根据公式计算数据矩阵x(t)的协方差矩阵；
14、步骤十一：向量化协方差矩阵得到虚拟阵元接收数据虚拟阵元的阵元位置由原始阵元位置的差集sd＝{(di-dj)×d1,1≤i,j≤n}中的不同值按照虚拟阵元位置从小到大本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种双端放置辅助阵元的嵌套水听器阵DOA估计方法，其特征在于：潜标探测器使用M个水听器，按照二级嵌套阵构成信号接收系统，第一级子阵的阵元间距由M1个水听器组成；第二级子阵的阵元间距d2＝(M1+1)d1，由M2个水听器组成，其中M1+M2＝M，λ为信号的波长；将嵌套阵的第一个阵元位置看做0，将P＝3个校正过的辅助阵元置于-d1、(M1+1)d1和[M2(M1+1)+M1]d1处；新阵列的阵元数为N＝M+P；阵元物理位置记为：D＝[-(M1+2),-2,-1,0,1,…,M1-1,M1,2M1+1,…,(M2-1)(M1+1)+M1]T*d1；N个水听器阵的接收数据记为x(t)＝[x1(t),x2(t),…,xN(t)]T，水听器阵的DOA估计方法的步骤如下：
2.如权利要求1所述的一种双端放置辅助阵元的嵌套水听器阵DOA估计方法，其特征在于：空间谱P(θ)的计算方法计算如下：
3.如权利要求1所述的一种双端放置辅助阵元的嵌套水听器阵DOA估计方法，其特征在于：空间谱P(θ)的计算公式为：
4.如权利要求1所述的一种双端放置辅助阵元的嵌套水听
5.如权利要求1所述的一种双端放置辅助阵元的嵌套水听器阵DOA估计方法，其特征在于：空间谱P(θ)的计算公式为：其中2表示向量的2范数。
6.如权利要求1所述的一种双端放置辅助阵元的嵌套水听器阵DOA估计方法，其特征在于：空间谱P(θ)的计算公式为：将特征值λi从大到小进行排序，qi为λi对应的特征向量。
7.如权利要求1所述的一种双端放置辅助阵元的嵌套水听器阵DOA估计方法，其特征在于：空间谱P(θ)的计算公式为：
8.如权利要求1所述的一种双端放置辅助阵元的嵌套水听器阵DOA估计方法，其特征在于：等效协方差矩阵Ri的计算公式为i＝1,2,…,N，Zj表示第j个子阵的等效接收信号。
9.如权利要求1所述的一种双端放置辅助阵元的嵌套水听器阵DOA估计方法，其特征在于：等效协方差矩阵Ri的计算公式为i＝1,2,…,N，Zj表示第j个子阵的等效接收信号。
10.如权利要求1所述的一种双端放置辅助阵元的嵌套水听器阵DOA估计方法，其特征在于：等效协方差矩阵Ri的计算公式为i＝1,2,…,N。
...【技术特征摘要】
1.一种双端放置辅助阵元的嵌套水听器阵doa估计方法，其特征在于：潜标探测器使用m个水听器，按照二级嵌套阵构成信号接收系统，第一级子阵的阵元间距由m1个水听器组成；第二级子阵的阵元间距d2＝(m1+1)d1，由m2个水听器组成，其中m1+m2＝m，λ为信号的波长；将嵌套阵的第一个阵元位置看做0，将p＝3个校正过的辅助阵元置于-d1、(m1+1)d1和[m2(m1+1)+m1]d1处；新阵列的阵元数为n＝m+p；阵元物理位置记为：d＝[-(m1+2),-2,-1,0,1,…,m1-1,m1,2m1+1,…,(m2-1)(m1+1)+m1]t*d1；n个水听器阵的接收数据记为x(t)＝[x1(t),x2(t),…,xn(t)]t，水听器阵的doa估计方法的步骤如下：
2.如权利要求1所述的一种双端放置辅助阵元的嵌套水听器阵doa估计方法，其特征在于：空间谱p(θ)的计算方法计算如下：
3.如权利要求1所述的一种双端放置辅助阵元的嵌套水听器阵doa估计方法，其特征在于：空间谱p(θ)的计算公式为：
4.如权利要求1所述的一种双端放置辅助阵元的嵌套水听器阵doa估计方法，...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑蕾，王绪虎，丁磊，卢嘉宁，谢曜聪，冯秋霞，陈建军，张苏，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：
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