[发明专利]一种水下高精度一维DOA估计方法

说明书

本发明公开了一种水下高精度一维DOA估计方法，步骤如下：采用二维交叉嵌套阵进行一维DOA估计，对两条二级嵌套阵接收数据的协方差矩阵Rsubgt;xx/subgt;和Rsubgt;yy/subgt;向量化、排序、去冗余，根据矩阵重构算法构建Toeplitz矩阵和基于使用现有的TLS‑ESPRIT算法得到对进行特征值分解得到特征值λsubgt;x1/subgt;，λsubgt;x2/subgt;，...，λsubgt;xK/subgt;，基于使用现有的TLS‑ESPRIT算法得到对进行特征值分解得到特征值λsubgt;y1/subgt;，λsubgt;y2/subgt;，...，λsubgt;yK/subgt;，将λsubgt;x1/subgt;，λsubgt;x2/subgt;，...，λsubgt;xK/subgt;从小到大排序，对λsubgt;y1/subgt;，λsubgt;y2/subgt;，...，λsubgt;yK/subgt;从大到小排序，通过排序对两者进行配对；根据二维交叉嵌套阵的几何关系推导出θsubgt;xk/subgt;、θsubgt;yk/subgt;和θsubgt;k/subgt;的关系式，最终求解出目标信号的波达方向角。该发明在得到声速无关的DOA估计表达式的同时，解决了DOA估计过程中参数配对问题，提高了DOA估计精度。

技术领域

本发明涉及水下目标定位技术领域，具体涉及一种水下高精度一维DOA估计方法。

背景技术

波达方向估计(Direction of Arrival，DOA)在众多领域已得到广泛应用，而一维水下DOA估计就是指在水面放置传感器阵列利用阵列信号处理技术来对水下声源目标进行一维波达方向估计的方法。与空间目标DOA估计有所不同的是，水下声源目标的DOA估计采用声波作为传播载体，由于声波信号在水下环境传播时，水声信道中的各种障碍物及崎岖不平的海底造成的声波散射作用，导致了信号的衰减。除了水声环境造成信号的快速衰减，水下DOA估计面临的另一个问题就是声速影响。由于河流和海洋等水下环境复杂且不稳定，声波的速度温度、盐度、压力等因素不断变化，水下DOA方法的估计精度受到很大影响，当实际声速偏离预先设定速度，估计精度将因此降低。

现有研究已提出了利用不同构型的二维阵列构造二维角度关系，对声速因子进行消除的一维水下目标DOA估计方法。这类方法提高了未知声速环境下的水下目标DOA估计精度，如专利申请201811241541.8和201811338421.X等。但是在多目标声源的情况下，由于这类方法采用了全组合遍历对多组参数进行配对，使得算法复杂度非常高，装置的估计实时性得不到保证。专利申请201910259714.7中的方法降低水下DOA估计的复杂度，但是估计精度有待提高。因此，如何在消除声速影响的同时提高估计精度成了一个急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种水下高精度一维DOA估计方法，通过对二维交叉嵌套阵的接收信号进行处理，在DOA估计中消除声速这个变量，从而消除水下声速不确定性对目标定位精度的影响。同时由于采用嵌套阵，估计方法的估计精度有了很大的提高，有利于在实际测量中有效估计目标，另外在估计过程中通过排序进行配对，配对复杂度很小。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种水下高精度一维DOA估计方法，所述估计方法包括以下步骤：