[发明专利]多种失配情况下无线传感器阵列空间处理增益损失的方法

说明书

本发明涉及一种多种失配情况下无线传感器阵列空间处理增益损失的方法，从无线传感器阵列的系统特点出发，建立了三种误差即阵元位置误差、时间同步误差和节点失效的数学模型，理论推导出三种失配情况下阵列空间处理增益损失及其一、二阶统计量。故本发明方法能够同时兼顾任意阵形的三种失配情况，并且给出阵列空间处理增益损失的解析表达式，与现有方法相比更加适用由多UUV组成的大孔径声传感器阵列探测系统，可以得到阵列空间处理增益损失统计特性的准确估计。

技术领域

本发明属于阵列信号处理领域，涉及一种多种失配情况下无线传感器阵列空间处理增益损失的方法，具体涉及一种非固定连接传感器阵列在阵元位置不准确、采样时间非同步和阵元失效情况下阵列空间处理增益损失的计算方法，适用于评估大规模、任意阵形的无线传感器阵列、声呐存在阵元位置不准确、采样时间非同步和阵元失效时导致的阵列处理增益损失。

背景技术

在雷达、声呐等领域通过将多个传感器组成具有一定几何结构的阵列获得阵列空间处理增益，阵列空间处理增益(以下简称为空间处理增益)被用来度量阵列的信噪比增强程度。空间处理增益受阵列孔径、阵元个数、信号相关性和噪声相关性的影响，在保证信号和噪声特性的情况下，阵列孔径对空间处理增益影响较大，一般来讲，阵列孔径越大，空间处理增益越大。

但是，阵列孔径通常会受到探测平台几何尺度的限制，因此提出由多个装备声传感器的运动UUV载体组成任意形状阵列的模式。这些声传感器单独感知、采集目标信号，并通过光通信(无线连接)将所有阵元的数据集中到头节点进行波束形成，UUV上声传感器的位置(阵元位置)通过定位算法估计得到。该模式的优势在于可以根据实际环境和目标情况及时调整阵形、阵列孔径等，从而能够实现不受平台几何尺寸约束的大孔径阵列。

这种模式的无线传感器阵列虽然可以满足大孔径的需求，却也面临着许多挑战：(1)声传感器位置随着UUV移动，通过定位算法估计，但由于存在定位误差，使得声传感器的估计位置与真实位置之间存在偏差，即阵元位置误差；(2)各阵元是非同步采集数据，通过UUV携带的原子钟进行数据的时间对准，原子钟的精度和误差将会造成传感器数据之间的时间同步误差；(3)数据在汇聚到头结点过程中，由于通信故障等原因可能导致个别节点的数据失效。这三种误差均会导致空间处理增益下降，为了评估基于UUV的无线传感器阵列探测系统的空间处理增益，需要同时考虑这三种误差的影响。

目前，对于阵元位置误差、时间同步误差和节点失效的研究主要基于大孔径线列阵，单独针对某种误差分析其对波束图或空间处理增益的影响。朱赛等研究了阵元失效对阵列性能各参数的影响，其结果仅以线阵为例([1]朱赛,蔡金燕,韩春辉,安婷,曲利峰.失效阵元对阵列天线性能影响分析[J].电光与控制,2019,26(08):54-59.)。Yanbin Zou等研究了在存在时钟同步偏差和传感器位置误差的情况下的目标定位算法，并提出了一种基于半正定规划(SDP)的定位算法对误差进行校准([2]Y.Zou and H.Liu,SemidefiniteProgramming Methods for Alleviating Clock Synchronization Bias and SensorPosition Errors in TDOA Localization,in IEEE Signal Processing Letters,vol.27,pp.241-245,2020,doi:10.1109/LSP.2020.2965822.)。尤览等分析了阵元位置误差与节点失效对波束形成的影响，并通过调整各节点的辐射功率有效降低旁瓣级([3]尤览,刘发林.无线传感器网络波束合成的影响因素研究[J].中国科学技术大学学报,2010,40(04):406-411.)。然而，目前对于任意阵形下前述三种误差同时存在的情况鲜少有研究。故本发明从阵元位置误差、时间同步误差和节点失效三个影响空间处理增益的因素出发，建立误差模型并分析这三种失配情况对任意形状阵列的空间处理增益的联合影响。