本發(fā)明屬于水聲目標(biāo)方位估計領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、在海洋環(huán)境下，船艦輻射噪聲等目標(biāo)信號可視作寬帶信號，其波達(dá)方向是海洋水聲目標(biāo)的重要參數(shù)，亦是被動聲納設(shè)備關(guān)心的重要參數(shù)。寬帶信號的聚焦變換方法作為一種常用的寬帶信號方位估計方法，其方位估計誤差會隨著角度預(yù)估偏差的增加而迅速增大，在水下環(huán)境中的應(yīng)用受到較大限制。現(xiàn)有技術(shù)公開了在寬帶目標(biāo)信號(如船艦輻射噪聲、海洋動物聲音等)入射的條件下，利用水聽器陣列獲取的信號數(shù)據(jù)被動實現(xiàn)目標(biāo)入射方位的估計?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中曾出現(xiàn)基于寬帶信號的被動聚焦變換方位估計方法，現(xiàn)總結(jié)如下：

2、文獻(xiàn)1(張進(jìn)，葉中付，汪彥龍.基于一致聚焦的寬帶信號doa估計方法[j].電路與系統(tǒng)學(xué)報，2011.)：利用一致聚焦的思想，在經(jīng)典的雙邊相關(guān)變換寬帶信號方位估計方法的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一致角度集合在一定程度上避免了角度預(yù)估的影響。其研究依然不能完全避免角度預(yù)估的影響，方位估計性能與經(jīng)典的雙邊相關(guān)變換方法相當(dāng)。

3、文獻(xiàn)2(陳洪光.穩(wěn)健的陣列處理波達(dá)方向估計算法研究[d].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文,2005.)：利用聚焦變換的思想，在陣列流型插值方法的基礎(chǔ)上，對陣列流型分解后的與角度無關(guān)的矩陣進(jìn)行聚焦。但在聚焦過程中只考慮了陣列流型的信息，所利用的信息不夠全面，導(dǎo)致方位估計精度還有較大的可提升空間。以上問題亟需解決。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有寬帶信號方位估計方法聚焦過程中只考慮了陣列流型的信息，所利用的信息不夠全面，限制方位角估計精度提升的問題，本發(fā)明提供了一種基于陣列流型插值的雙邊相關(guān)變換寬帶信號方位估計方法。

2、基于陣列流型插值的雙邊相關(guān)變換寬帶信號方位估計方法，該方法包括如下步驟：

3、步驟一、對于水聽器陣列接收到的寬帶信號轉(zhuǎn)化為頻域信號，將寬帶信號的帶寬劃分為j個子帶，各子帶對應(yīng)的頻域信號的中心頻率為fj′，計算帶寬下各中心頻率fj′所對應(yīng)的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣rx(fj′)，fj′為第j′個子帶的中心頻率，j′＝1,2,3……j；

4、步驟二、利用陣列流型插值方法將各中心頻率fj′所對應(yīng)的陣列流型矩陣aθ(fj′)分解為只包含頻率分量的矩陣g(kj′)和只包含角度分量的矩陣w(θ)；其中，g(kj′)為波數(shù)kj′對應(yīng)的陣列流型插值矩陣；kj′為中心頻率fj′對應(yīng)的波數(shù)，w(θ)為多個真實入射角構(gòu)成的集合θ所對應(yīng)的角度分離矩陣；

5、步驟三、對各中心頻率fj′所對應(yīng)的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣rx(fj′)去噪，得到各中心頻率fj′所對應(yīng)的去噪后數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣p(fj′)，并結(jié)合矩陣g(kj′)求解信號協(xié)方差矩陣rj′；rj′為中心頻率fj′所對應(yīng)的信號協(xié)方差矩陣；利用所有中心頻率所對應(yīng)的去噪后數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，從所有中心頻率中選定最佳參考頻率f0，得到最佳參考頻率f0所對應(yīng)的去噪后數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣p(f0)；

6、步驟四、對p(fj′)和p(f0)均進(jìn)行特征值分解，分別得到對應(yīng)的特征向量v(fj′)和v(f0)，進(jìn)而得到聚焦變換矩陣t(fj′)＝v(f0)vh(fj′)；t(fj′)為中心頻率fj′所對應(yīng)的聚焦變換矩陣；

7、步驟五、利用各聚焦變換矩陣t(fj′)對其所對應(yīng)的rx(fj′)進(jìn)行聚焦，得到最佳參考頻率f0下的所有中心頻率聚焦后數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣rx(f0)；

8、步驟六：對rx(f0)實施窄帶信號方位估計方法，利用譜峰搜索得到寬帶信號方位估計結(jié)果θmusic。

9、優(yōu)選的是，步驟一中，

10、

11、x(fj′)＝[x1(fj′),x2(fj′),...,xm(fj′)]t；

12、m為水聽器陣列中陣元數(shù)量，x(fj′)為水聽器陣列接收到的寬帶信號的帶寬內(nèi)第j′個中心頻率fj′的接收數(shù)據(jù)向量，xh(fj′)為x(fj′)的轉(zhuǎn)置共軛，xm(fj′)為水聽器陣列中第m個陣元接收信號在中心頻率fj′處對應(yīng)的頻域信號，m＝1,2,3……m。

13、優(yōu)選的是，步驟二中，陣列流型矩陣aθ(fj′)的級數(shù)形式為：

14、

15、aθ(fj′)是大小為m×k的陣列流型矩陣，m為水聽器陣列中陣元數(shù)量，k為寬帶目標(biāo)信號源總數(shù)，[aθ(fj′)]mi表示陣列流型矩陣aθ(fj′)中第m行第i列的元素，kj′＝2πfj′/c，c為聲速，ju(kj′rm)為關(guān)于變量kj′rm的u階第一類bessel函數(shù)，n為第一類bessel函數(shù)的最高階數(shù)，u為整數(shù)，rm為以水聽器陣列幾何中心為原點建立的極坐標(biāo)系下第m個陣元與原點的距離，為第m個陣元的極角，θ＝[θ1,θ2,…,θk]，e為自然常數(shù)，j為虛數(shù)單位。

16、優(yōu)選的是，步驟二中，

17、aθ(fj′)＝g(kj′)w(θ)；

18、g(kj′)和w(θ)分別是大小為m×(2n+1)和(2n+1)×k的矩陣，m為水聽器陣列中陣元數(shù)量，k為寬帶目標(biāo)信號源總數(shù)，n為第一類bessel函數(shù)的最高階數(shù)，并且

19、

20、[g(kj′)]m(u+n+1)表示矩陣g(kj)中第m行第u+n+1列的元素，[w(θ)](u+n+1)i表示矩陣w(θ)中第u+n+1行第i列的元素；ju(kj′rm)為關(guān)于變量kj′rm的u階第一類bessel函數(shù)，u為整數(shù)，rm為以水聽器陣列幾何中心為原點建立的極坐標(biāo)系下第m個陣元與原點的距離，為第m個陣元的極角，θi為θ中第i個真實入射角，e為自然常數(shù)，j為虛數(shù)單位。

21、優(yōu)選的是，步驟三中，

22、p(fj′)＝rx(fj′)-σj′2i；

23、σj′為中心頻率fj′所對應(yīng)的噪聲功率，σj′的取值為對rx(fj′)進(jìn)行特征分解后的所有特征值由小到大排序后前k個特征值的平均值，i是m×m的單位矩陣。

24、優(yōu)選的是，步驟三中，rj′＝(g(kj′)hg(kj′))-1g(kj′)hp(fj′)g(kj′)(g(kj′)hg(kj′))-1；

25、g(kj′)h為g(kj′)的轉(zhuǎn)置共軛。

26、優(yōu)選的是，步驟三中

27、g(k0)為波數(shù)k0對應(yīng)的陣列流型插值矩陣，k0為最佳參考頻率f0對應(yīng)的波數(shù)，gh(k0)為g(k0)的轉(zhuǎn)置共軛，k0＝2πf0/c，c為聲速。

28、優(yōu)選的是，確定最佳參考頻率f0的實現(xiàn)方式為：

29、

30、式中，σ′i(p(f0))為矩陣p(f0)中第i個寬帶目標(biāo)信號源所對應(yīng)的寬帶信號在最佳參考頻率f0處對應(yīng)的奇異值，σ′i(p(fj′))為矩陣p(fj′)第i個寬帶目標(biāo)信號源所對應(yīng)的寬帶信號在中心頻率fj′處對應(yīng)的奇異值，μi為第i個中間變量。

31、優(yōu)選的是，步驟五中th(fj′)為t(fj′)的轉(zhuǎn)置共軛。

32、優(yōu)選的是，步驟六中

33、其中，aθ′(f0)為最佳參考頻率f0下的搜索角度θ′的導(dǎo)向矢量，為aθ′(f0)的轉(zhuǎn)置共軛，un為rx(f0)對應(yīng)的噪聲子空間，為un的轉(zhuǎn)置共軛，e為自然常數(shù)，j為虛數(shù)單位，τm(θ′)為水聽器陣列中第m個陣元接收到的寬帶信號與最佳參考頻率f0關(guān)于搜索角度θ′的時延差，m＝1,2,...,m。

34、本發(fā)明的優(yōu)點：

35、本發(fā)明充分發(fā)揮了水聽器陣列的信息獲取優(yōu)勢，同時高效利用了水聲寬帶信號多個頻率的信息，在對寬帶信號的聚焦變換處理的思想基礎(chǔ)上，同時融合了陣列流型插值和雙邊相關(guān)變換方法，通過陣列流型矩陣分解后的結(jié)果重構(gòu)了經(jīng)典雙邊相關(guān)變換方法的信號協(xié)方差矩陣，利用聚焦變換的思想來提升算法對寬帶信號方位估計的準(zhǔn)確性。具體的，利用陣列流型插值方法對陣列流型矩陣進(jìn)行分解，然后基于分解后的結(jié)果重構(gòu)了信號協(xié)方差矩陣，成功避免了角度預(yù)估，并且有效提高了算法對寬帶信號的方位估計精度，使算法更有利于實際工程應(yīng)用。可以完全避免經(jīng)典的雙邊相關(guān)變換需要提供預(yù)估角度的問題，并且在低信噪比環(huán)境下仍具備高精度的方位估計能力。

36、本發(fā)明所述的基于陣列流型插值的雙邊相關(guān)變換寬帶信號方位估計方法不同于背景技術(shù)中的文獻(xiàn)1和文獻(xiàn)2，本發(fā)明在利用陣列流型插值方法實現(xiàn)完全避免角度預(yù)估影響的同時，利用雙邊相關(guān)變換方法提升寬帶信號方位估計的準(zhǔn)確性。