[发明专利]一种基于DSP的水听器阵测向系统及其DOA估计方法

权利要求书

1.一种基于DSP的水听器阵列测向系统，该阵列测向系统包括水听器基阵，前端放大模块，滤波模块，多通道数据采集传输模块，数据处理模块、显示模块，控制模块，所述水听器基阵由6个水听器构成，水听器按直线形排布，水听器之间等间距布放；所述前端放大模块可工作频率范围为200赫兹至50000赫兹；所述滤波模块工作范围为200赫兹至50000赫兹，可以根据需要调节设定工作带宽；所述多通道数据采集传输模块可以实现6通道同步采样，每次采样数据转化为16位的二进制数，然后再将6个通道并行采集数据转换成串行数据，传输给数据处理模块；所述数据处理模块的核心处理器为ADSP-21562,该处理器按设定程序对接收数据进行变换处理，计算出空间谱，估计出波达方向，并将运算结果传递给显示模块，其处理过程根据控制模块传输的控制信息进行调整；所述显示模块和所述控制模块由两个显示屏幕并联放置在一起，所述显示模块用于显示DSP模块处理后的结果，包括入射声波信号的方向、水听器阵元间的互耦系数、水听器阵列输出信号的空间谱，所述控制模块用于设置DSP处理器的数据处理精度、处理数据长度、运算次数的设置，还包括启动整体系统的开关按钮以及湿端水听器阵列的布放与回收按钮，其特征在于：该阵列测向系统的DOA估计处理方法包括如下步骤：

步骤一：设置超参数a，c，e，b，d，f，设置精度ε和最大迭代次数iNum，初始化需要更新的参数X,δ,c,α_x,α_c,α_n,μ，信号矩阵的稀疏扩展矩阵的初始值设为X＝O_N×T，离网格误差矢量的初始值设为δ＝O_N×1,阵元互耦系数矢量的初始值设为c＝[1,O_(M-1)×1]^T,信号的精度矢量的初始值设为α_x＝O_N×1，互耦系数精度矢量的初始值设为α_c＝O_M×1,噪声精度的初始值设为α_n＝0.01，其中N表示空域离散化的网格数量，T表示快拍数，M表示水听器阵的阵元数目，μ₀＝O_N×T；

步骤二：根据步骤一中参量的初始值，计算稀疏信号的互协方差矩阵Σ_x＝[α_nΥ^H(δ,c)Υ(δ,c)+diag(α_x)]^-1，式中重构的离网格阵列流形矩阵式中阵列流形矩阵对应的重构矩阵其中

子矩阵表示第k个入射信号的方位角；

步骤三：对水听器阵列采集信号进行预处理，通过希尔伯特变换器转换成复阵列数据利用步骤二计算的协方差矩阵Σ_x和阵列接收数据Y计算多快怕稀疏信号的均值矩阵

步骤四：更新信号精度α_x的值，利用公式其中n＝1,2,…,N，利用计算出N个值更新α_x的元素值；

步骤五：更新噪声精度α_n的值，计算其中y_t表示阵列接收数据Y的第t列，μ_t表示稀疏信号的均值矩阵μ的第t列，利用计算值更新噪声精度，即

步骤六：更新互耦系数矢量c，利用公式计算然后令更新互耦系数矢量；利用公式计算精度值，然后利用计算出的M个值更新精度矢量α_c；

步骤七：计算参数λ＝||μ₀-μ_i||/||μ_i||，其中μ_i为步骤三计算出稀疏信号的均值矩阵，然后判断参数λ是否满足小于ε，或者循环次数是否达到最大迭代次数iNum，如果两个条件都不满足，令μ₀＝μ_i，然后返回步骤二，如果满足两个条件中的任何一个，则进行步骤八；

步骤八：利用公式计算离网格误差矢量，其中，P的第n行为v的第n个元素为

步骤九：计算空间谱其中，为μ行均值矢量，⊙为Schur积，然后利用步骤八计算出的离网格误差矢量更新均匀的离散网格矢量，即令

步骤十：对步骤九中计算的空间谱SP进行谱峰搜索，找到谱峰值对应的即估计出K个信号波达方向。