[发明专利]一种用于线列阵的高精度测向方法

说明书

技术领域

本发明涉及声纳信号处理技术领域，更具体地，本发明涉及一种用于线 列阵的高精度测向方法。

背景技术

声纳信号处理的一个基本问题就是测向，以确定感兴趣的空间信号的方 向。高精度测向技术，是指采用某种算法，对阵列接受到的目标辐射或反射 的时空二维信号进行处理，从而得到目标方位的高精度估计。高精度测向技 术在声纳、雷达等领域有着广泛的应用。

在目前典型的用于线列阵的高精度测向算法包括：“J.Capon， High-Resolution Frequency-Wavenumber Spectrum Analysis，Proceedings of the IEEE，Vol.57，No.8，August 1969”中的Capon法，“孙长瑜等，二维 频域波束形成方法，应用声学，1995”中的窄带二维频域波束形成法， “James.A.Cadzow，Direction-of Arrival Estimation Using Signal Subspace Modeling，IEEE transaction on aerospace and electronic systems，Vol.25，No.1，January 1992”中的多重信号分类(MUSIC)法，“Shahram Shahbazpanahi，Robust Adaptive Beamforming for General-Rank Signal Models，IEEE transactions of signalprocessing，vol.51，no.9，September 2003”中的自适应波束形成法以及“Roy R等，ESPRIT-A Subspace Rotation approach to estimation of parameters of cissoids in noise，IEEE Trans.ASSP，1986”中的旋转不变量信号参数估计方法(ESPRIT)法。

Capon法，是指通过保持目标信号位置输出功率不变，最小化系统总输出 功率，在目标信号位置形成极大响应，其它方位输出最小。表示为： w^H*a＝1，其中，a为指定方向的方向矢量，R是阵列输出协方 差矩阵，w为加权向量。对于此方法，如果输入信号的长度为N，则相应的要 计算N*N维矩阵的逆矩阵，随着N的增长，计算量会急剧增加，对整个系统 的计算能力要求极高，而一般的线列阵的阵元个数N是几十乃至几百，如此 巨大的矩阵求逆导致该方法实用性差。

窄带二维频域波束形成法在窄带目标信号输入的条件下，在时间域和空 间域对输入阵列数据进行快速傅立叶变换(FFT)，在频域得到波束形成。该 方法只能处理窄带信号，与测向时经常遇到的宽带信号不匹配，实用性差。

MUSIC法，是一种典型的空间谱估计测向方法，首先估计出信号源的个数， 其次对信号输出协方差矩阵进行特征值分解，最后对信号方位进行扫描，找 到对应信号源个数的谱峰。该方法对阵列模型失配十分敏感，存在阵列误差 时其估计性能明显下降。此方法要求信号源是非相关的，而且噪声为具有相 同功率的空间白噪声，这两点在实际应用中一般难以满足，导致系统性能不 稳定，系统稳健性差，另外该方法需要对信号输出协方差矩阵进行特征值分 解，涉及到大矩阵求逆的问题，也带来计算量巨大的问题。

自适应波束形成法，是指系统根据环境噪声场的变化，不断的自动调节 本身的参数以适应周围环境，抑制干扰并检测出有用信号。该方法的系统性 能稳定性较差，而且不断调整参数也带来计算量大的问题，实际应用困难。

ESPRIT法，是指利用阵列传感器分组所得的信号子空间中隐含的旋转不 变量实现测量来波方向的方法。子空间的不变量通过建立自相关和互相关矩 阵来实现。将原阵列分解为两个子阵，通过最小二乘(Least Square，LS)或 总体最小二乘(Total Least Square，TLS)拟合来估计子阵列的相移矩阵，得 到目标信号方位估计。在计算中涉及元素间互相关值的估计时，从自相关和 互相关矩阵中扣除估得的噪声方差有时却很致命，并使整体效果不佳，使得 系统的稳定性差，实用性能较差。

总体而言，由于水声工作环境的恶劣性(例如，噪声模型易失配、海洋 传播信道的复杂、阵形易失配等)，以上方法在现阶段的实际应用中，或者 计算量巨大，系统难以负荷，或者实用性差，稳健性不高，难以在实际的应 用中得到采用。

发明内容