CN112924926B - 一种多途信道下的doa估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多途信道下的DOA估计方法，包括以下步骤，步骤1：获取水下目标的多途阵列接收信号；步骤2，计算获取到的各阵元信号的频谱和功率谱；步骤3，将计算后的各阵元信号功率谱相加，并合成声场时频干涉谱；步骤4，获取声场时频干涉谱中的相消干涉频率；步骤5，在相消干涉频率点计算阵列信号协方差矩阵；步骤6，在相消干涉频率点计算空间谱，进行DOA估计。通过本发明可以实现提高多途相干信道下的DOA估计精度，且该方法下无阵列孔径和空间分辨率损失，不受阵型等应用条件的限制，低信噪比下仍有较好的解相干和DOA估计性能。

Description

一种多途信道下的DOA估计方法

技术领域

本发明涉及水声信号处理的技术领域，尤其涉及一种多途信道下的DOA估计方法。

背景技术

声波在水中传播时，由于水介质的折射及声波在海面、海底的反射，自发射点至接收点存在多个传播途径的现象，因此水下传播存在多途信道，这种现象也是导致水声导航定位精度下降的主要原因之一。

对于水下多途信道，由于阵列传感器收到的信号是相干的，而相干信源的存在，会使得源信号协方差矩阵不满秩，出现所谓的秩亏损，以及信号子空间与噪声子空间的相互渗透，导致基本的高分辨DOA估计方法MVDR算法和MUSIC算法性能急剧下降。恢复源信号协方差矩阵的秩，实现相干源的解相干是多途信道下DOA估计的关键。现阶段常用的解相干算法主要分为两类：一类是降维类算法，包括空间平滑类算法、矢量奇异值算法和矩阵分解法等，此类算法以牺牲阵列孔径和空间分辨率为代价实现解相干；另一类是非降维类算法，包括频域平滑算法、虚拟阵列变化算法和Toeplitz矩阵重构算法，与降维类算法相比，非降维类处理算法的优势在于不损失阵列的有效孔径，但是应用场景相对有限，且有些方法在低信噪比下性能下降。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多途信道下的DOA估计方法，该方法能够在有效解相干的同时，不损失阵列孔径，不受阵型等应用条件限制，且在低信噪比下仍有较好的DOA估计性能。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明提供了一种多途信道下的DOA估计方法，包括以下步骤，

步骤1：获取水下目标的多途阵列接收信号；

步骤2，计算获取到的各阵元信号的频谱和功率谱；

步骤3，将计算后的各阵元信号功率谱相加，并合成声场时频干涉谱；

步骤4，获取声场时频干涉谱中的相消干涉频率；

步骤5，在相消干涉频率点计算阵列信号协方差矩阵；

步骤6，在相消干涉频率点计算空间谱，进行DOA估计。

进一步的，在本发明中：所述步骤3中，当观测距离远大于阵列孔径时，各阵元信号具有相同的干涉特性；对于只有直达波、一次海面反射波和一次海底反射波情况，各阵元信号功率谱相加，得到第k帧接收信号的功率谱p_k(f)为：

其中，p_xx(f)为源信号的功率谱，H₁、H₂和H₃分别为直达波、海面和海底反射波路径均匀增益因子，τ_d、τ_r和τ'_r分别为直达波、海面和海底反射波延时，且：

τ_d＝R_d/c

τ_r＝R_r/c

τ'_r＝R'_r/c

其中，R_d、R_r和R'_r分别为直达波、海面和海底反射波传播路径距离，c为声速，所述多途接收信号的功率谱为直达波、海面和海底反射波三条传播路径信号功率谱之和，并叠加了三个频率分量的干涉项，干涉项的存在能够使两条路径的信号完全相干时，干涉谱产生干涉谱峰。

进一步的，在本发明中：所述获取声场时频干涉谱中的相消干涉频率包括通过低频声场时频干涉谱谱峰沿目标运动方向的积累，实现谱峰的自动跟踪、干涉频率的实时在线提取和相消干涉频率估计。

进一步的，在本发明中：所述相消干涉频率点的阵列信号协方差矩阵为

R(f_i)＝X(f_i)X^H(f_i)

其中，R(f_i)为相消干涉频率点的阵列信号协方差矩阵，X(f_i)为阵列接收信号的离散傅里叶变换在相消干涉频率点f_i处的值，(·)^H表示共轭转置。

进一步的，在本发明中：所述相消干涉频率点空间谱包括MVDR和MUSIC空间谱，分别为：

其中，P_MVDR(θ)和P_MUSIC(θ)分别为MVDR和MUSIC空间谱，θ为扫描方位，(·)^-1表示取逆操作，a(θ)为阵列导向向量，(·)^H表示共轭转置，

为相消干涉频率点的噪声子空间，空间谱谱峰对应的方位即为目标方位。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明提出的方法针对现有降维类解相干算法存在阵列孔径和空间分辨率损失，非降维类解相干算法应用有局限性，利用多途信道的干涉特性，以及相消干涉频率点固有的信号去相干性，通过阵列接收信号估计干涉谱和相消干涉频率，在相消干涉频率点进行空间谱估计和目标方位DOA估计，该方法下全部阵元参加运算，用于估计空间谱和目标方位，无阵列孔径和空间分辨率损失，且干涉谱和相消干涉频率的估计适用于任意阵型，使方法在实际应用中不受阵型等应用条件限制，在低信噪比下仍有较好的解相干和DOA估计性能。

附图说明

图1为本发明所述多途信道下的DOA估计方法的整体流程示意图；

图2为通过宽带多途阵列接收信号计算得到的空间谱示意图；

图3为相消干涉频率点计算得到的空间谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以用许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。

如图1所示，为本发明提出的一种多途信道下的DOA估计方法的整体流程示意图，该方法包括以下步骤，

步骤1：获取水下目标的多途阵列接收信号；

具体的，用线列阵接收水下运动声源辐射的噪声信号，需要获取的参数包括频带、采样频率、声源运动速度、航向、声速、海底介质声速、密度、海深、声源深度、初始方位、接收线列阵深度、阵元个数和间距、信噪比以及观测数据时长，例如，将以上已知参数均由技术人员根据实际情况进行采集，并输入bellhop声场模型中，得到多途阵列接收信号。

例如，获取参数频带为200Hz-2000Hz，采样频率为8kHz，声源匀速运动，速度为5m/s，航向180度；声速为1500m/s，海底介质声速为1800m/s，密度为1.6g/cm3，海深200米；声源深度25米，初始方位60.5度，接收线列阵深度为25米，16个阵元，阵元间距0.5m。信噪比0dB。观测数据长40s，将以上数据输入bellhop声场模型中，阵列信号随着水下目标的运动及传播延时和信号幅度衰减不断变化，bellhop声场模型能够生成多途阵列接收信号。

步骤2，计算获取到的各阵元信号的频谱和功率谱；

步骤3，将计算后的各阵元信号功率谱相加，并合成声场时频干涉谱；

具体的，当观测距离远大于阵列孔径时，各阵元信号具有相同的干涉特性；对于只有直达波、一次海面反射波和一次海底反射波情况，各阵元信号功率谱相加，得到第k帧接收信号的功率谱p_k(f)为：

其中，p_xx(f)为源信号的功率谱，H₁、H₂和H₃分别为直达波、海面和海底反射波路径均匀增益因子，τ_d、τ_r和τ'_r分别为直达波、海面和海底反射波延时，且：

τ_d＝R_d/c

τ_r＝R_r/c

τ'_r＝R'_r/c

其中，R_d、R_r和R'_r分别为直达波、海面和海底反射波传播路径距离，c为声速，所述多途接收信号的功率谱为直达波、海面和海底反射波三条传播路径信号功率谱之和，并叠加了三个频率分量的干涉项，干涉项的存在能够使两条路径的信号完全相干时，干涉谱产生干涉谱峰。

步骤4，获取声场时频干涉谱中的相消干涉频率；具体的，获取声场时频干涉谱中的相消干涉频率包括通过低频声场时频干涉谱谱峰沿目标运动方向的积累，实现谱峰的自动跟踪、干涉频率的实时在线提取和相消干涉频率估计。

步骤5，在相消干涉频率点计算阵列信号协方差矩阵；

具体的，相消干涉频率点的阵列信号协方差矩阵为

R(f_i)＝X(f_i)X^H(f_i)

其中，R(f_i)为相消干涉频率点的阵列信号协方差矩阵，X(f_i)为阵列接收信号的离散傅里叶变换在相消干涉频率点f_i处的值，(·)^H表示共轭转置。

步骤6，在相消干涉频率点计算空间谱，进行DOA估计。

具体的，相消干涉频率点空间谱包括MVDR和MUSIC空间谱，分别为：

其中，P_MVDR(θ)和P_MUSIC(θ)分别为MVDR和MUSIC空间谱，θ为扫描方位，(·)^-1表示取逆操作，a(θ)为阵列导向向量，(·)^H表示共轭转置，

为相消干涉频率点的噪声子空间，空间谱谱峰对应的方位即为目标方位。

参照图2的示意，为宽带多途阵列接收信号计算得到的MVDR和MUSIC空间谱，可以看出由于多途信号相干性的影响，空间谱的旁瓣升高，谱峰偏离真实的目标方位。参照图3的示意，为本发明计算得到的相消干涉频率点的MVDR和MUSIC空间谱，谱峰位于真实的目标方位处，可以看出，本发明方法在低信噪比0dB下有效减小了多途相干信道的影响，提高了方位估计精度，降低了空间谱旁瓣，有利于弱目标检测。

应说明的是，以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述并不能理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些均应落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种多途信道下的DOA估计方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1：获取水下目标的多途阵列接收信号；

步骤2，计算获取到的各阵元信号的频谱和功率谱；

步骤3，将计算后的各阵元信号功率谱相加，并合成声场时频干涉谱；

步骤4，获取声场时频干涉谱中的相消干涉频率；

步骤5，在相消干涉频率点计算阵列信号协方差矩阵；

步骤6，在相消干涉频率点计算空间谱，进行DOA估计，得到目标方位；

所述步骤3中，当观测距离远大于阵列孔径时，各阵元信号具有相同的干涉特性；对于只有直达波、一次海面反射波和一次海底反射波情况，各阵元信号功率谱相加，得到第k帧接收信号的功率谱p_k(f)为：

其中，p_xx(f)为源信号的功率谱，H₁、H₂和H₃分别为直达波、海面和海底反射波路径均匀增益因子，τ_d、τ_r和τ'_r分别为直达波、海面和海底反射波延时，且：

τ_d＝R_d/c

τ_r＝R_r/c

τ'_r＝R'_r/c

其中，R_d、R_r和R'_r分别为直达波、海面和海底反射波传播路径距离，c为声速，所述多途阵列接收信号的功率谱为直达波、海面和海底反射波三条传播路径信号功率谱之和，并叠加了三个频率分量的干涉项，干涉项的存在能够使两条路径的信号完全相干时，干涉谱产生干涉谱峰；

所述获取声场时频干涉谱中的相消干涉频率包括通过低频声场时频干涉谱谱峰沿目标运动方向的积累，实现谱峰的自动跟踪、干涉频率的实时在线提取和相消干涉频率估计；

所述相消干涉频率点的阵列信号协方差矩阵为R(f_i)＝X(f_i)X^H(f_i)

其中，R(f_i)为相消干涉频率点的阵列信号协方差矩阵，X(f_i)为阵列接收信号的离散傅里叶变换在相消干涉频率点f_i处的值，(·)^H表示共轭转置；

所述相消干涉频率点空间谱包括MVDR和MUSIC空间谱，分别为：

其中，P_MVDR(θ)和P_MUSIC(θ)分别为MVDR和MUSIC空间谱，θ为扫描方位，(·)^-1表示取逆操作，a(θ)为阵列导向向量，(·)^H表示共轭转置，

为相消干涉频率点的噪声子空间，空间谱谱峰对应的方位即为目标方位。

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