进行子阵加权波束形成的波达方向估计

针对水声信道的多径效应以及海底散射信号信噪比低导致方位估计性能较差的问题,提出了一种基于子阵加权波束形成的UESPRIT算法(Weighted Beamspace UESPRIT Based on Subarrays,BS-BUESPRIT)。首先利用密集波束域转换矩阵估计回波信号的方位谱,进而估计同一时刻到达阵列的回波数目;之后将均匀线阵分为多个尺寸相同、相互重叠的子阵,利用加权波束形成对各子阵接收信号做指定方向的空域滤波;最后基于各子阵波束形成后的输出结果,利用UESPRIT算法实现回波方向的估计。仿真和湖试、海试试验结果表明,与UESPRIT算法相比,BS-BUESPRIT算法提高了信号波达方向估计性能,在多径和较低信噪比条件下有着更高的估计精度,应用于高分辨率测深侧扫声呐时有效地提高了声呐的测深性能。      

一种声矢量阵子空间拟合算法及其矩阵预滤波器设计

为了减少矩阵预滤波器通带响应畸变程度,提出了一种基于阻带约束通带最大k个误差范数和(k为约束点的数目)最小化准则的矩阵预滤波器设计方法,通过使通带内最大的k个响应误差范数和最小化,减少了通带响应畸变程度。同时针对声矢量阵方位估计算法计算量过大的问题,提出了一种基于矩阵预滤波的声矢量阵子空间拟合算法,通过对声矢量阵声压、振速信号子空间进行联合处理,将预滤波矩阵和拟合子空间矩阵均减少为M×M维(M为阵元数),从而减少矩阵预滤波器设计和方位搜索所需时间。仿真结果和分析表明该算法性能和预滤波MUSIC算法相当,但在计算量上有较大优势,矩阵预滤波方法能抑制阻带干扰,提高后续算法的分辨和估计性能。      

多子阵子空间拟合波达方向估计

提出了考虑阵元互耦的子空间拟合波达方向估计方法。用一带状、对称Toeplitz矩阵对均匀线阵的互耦矩阵建模。根据互耦矩阵自由度,去除部分两边阵元,研究了子空间拟合算法中ESPRIT算法的理论性能。在大快拍的情况下,均匀线阵的MCLS-ESPRIT算法的角度估计误差是一个零均值的联合高斯分布,同时给出了分布的协方差表达式。由方差的数值计算可知,在阵元数和信源数确定的情况下,存在估计标准差最小的子阵;与不存在互耦的理想情况相比,除了估计标准差少许增加外,性能接近。本文的方法已应用于高分辨率测深侧扫声呐,获得了好结果。在声呐阵阵元数增加的条件下,用本文的方法,能抑制均匀线阵的互耦的影响。     

一种基于声矢量传感器阵的宽带源二维波达方向估计算法

提出一种基于声矢量传感器阵的宽带源二维波达方向估计算法,在宽带相干源条件下实现了二维波达方向估计参数的自动配对。克服了通常声矢量传感器阵波达方向估计中存在的谱峰搜索和参数配对问题。分析表明:该算法能够可靠判定目标源的个数,具有较高的估计精度;不受目标波达方向角度间存在兼并(入射源含有相同的方位角或俯仰角)的影响;当存在阵列误差时,算法的稳健性好。     

基于时频阵列模型的波达方向估计

提出一种非平稳信号的波达方向估计方法。该方法将时频分析引入阵列处理,通过参考阵元和两个对称子阵的互时频分布建立起一种时频域的阵列数据模型,用平均的时频阵列数据模型代替传统的阵列模型,采用子空间方法得到多个非平稳信号的波达方向估计。空间平均和时频分析的结合使得该方法具有很好的信号选择性和抗干扰噪声的性能,该方法还具有运算量小和处理非平稳信号的能力。     

水声多输入多输出信道的分布式压缩感知估计

多输入多输出技术通过采用多个阵元进行多发多收空间复用信道可在极其有限的通信带宽下实现高速水声通信,但由于同时存在通道间干扰和多径干扰,水声MIMO信道估计变得困难。提出利用MIMO水声信道多径稀疏结构存在的相关性,在经典联合稀疏模型的基础上对MIMO观测矩阵进行重组,从而建立基于分布式压缩感知的单载波水声MIMO通信信道联合稀疏模型;同时,针对信道响应中具有相同多径位置的稀疏部分和特有稀疏部分设计区分性正交匹配追踪算法进行联合重构,进一步抑制通道间干扰的影响。最后通过仿真和海上实验进行本方法有效性的验证,实现16 kbps的MIMO水声通信。通过算法推导、仿真和实验可得到结论:利用MIMO水声信道多径相关性进行分布式压缩感知估计可提高估计性能。     

水声多输入多输出信道的分布式压缩感知估计

多输入多输出技术通过采用多个阵元进行多发多收空间复用信道可在极其有限的通信带宽下实现高速水声通信,但由于同时存在通道间干扰和多径干扰,水声MIMO信道估计变得困难。提出利用MIMO水声信道多径稀疏结构存在的相关性,在经典联合稀疏模型的基础上对MIMO观测矩阵进行重组,从而建立基于分布式压缩感知的单载波水声MIMO通信信道联合稀疏模型;同时,针对信道响应中具有相同多径位置的稀疏部分和特有稀疏部分设计区分性正交匹配追踪算法进行联合重构,进一步抑制通道间干扰的影响。最后通过仿真和海上实验进行本方法有效性的验证,实现16 kbps的MIMO水声通信。通过算法推导、仿真和实验可得到结论:利用MIMO水声信道多径相关性进行分布式压缩感知估计可提高估计性能。      

对称旋转不变相干分布式非圆信号二维波达方向估计

在相干分布式非圆信号二维波达方向估计中,利用信号非圆特性可提升估计精度,但现有的低复杂度算法利用泰勒级数近似建立的旋转不变关系会引入额外误差.针对该问题,考虑中心对称的三维立体线阵,提出了一种基于对称旋转不变关系的二维波达方向估计算法.算法首先利用信号非圆特性建立了扩展阵列模型;然后证明了对于任意的中心对称阵列,相干分布源的确定性角信号分布函数矢量具有对称特性,利用此特性在三维立体线阵的三个子阵中分别建立了扩展广义方向矢量的对称旋转不变关系;基于此,通过无须搜索的多项式求根方式分别得到中心方位角和俯仰角估计;最后利用整个阵列广义方向矢量的对称旋转不变关系构造代价函数实现了参数匹配.理论分析和仿真实验表明,相比于现有的低复杂度算法,所提算法避免了泰勒级数近似引入的额外误差,以较小的复杂度代价获得了性能的较大提升.同时,所提算法能够实现三维空间全方位的角度估计.     

一种超声速运动目标的被动声定位算法

超声速运动目标在空气中飞行时产生激波，本文利用激波到达时间，提出了一种基于波前方向矢量的算法，确定目标的速度和位置。最后，通过对三站均匀圆阵的估计精度的分析计算，讨论了该算法的有效性．     

一种超声速运动目标的被动声定位算法

超声速运动目标在空气中飞行时产生激波，本文利用激波到达时间，提出了一种基于波前方向矢量的算法，确定目标的速率和位置。最后，通过对三站均匀圆阵的估计精度的分析计算，讨论了该算法的有效性。     

单次空时域并行欠采样下的频率和到达角联合估计

随着应用频段的不断升高,空时域欠采样下的入射信号的频率和到达角的联合估计变得愈加困难.为解决此难题,本文提出了一种基于互素稀疏阵列的联合估计器.首先,结合互素稀疏阵列和闭式中国余数定理,建立了频率估计和到达角估计的理论模型;其次,将频谱校正理论和中国余数定理结合起来,导出了频率估计算法;再次,将相位差校正和中国余数定理结合起来,导出了到达角估计算法.该估计器不仅可降低现有估计器的硬件成本,而且仅需对单次并行采样的快拍做并行处理即可获得联合估计结果,无需对单阵元做多次采样,数据处理效率较高.仿真实验表明,该估计器具有较高的鲁棒性估计精度,因而在雷达、遥感等被动感知领域具有较广阔的应用前景.     

Direction of arrival estimation and signal recovery based on single snapshot compressed sensing in frequency domain

Direction of arrival(DOA) estimation and signal recovery is the base of the underwater target localization,tracking and recognition.Based on the compressed sensing theory,a method for DOA estimation and source signal recovery is proposed using the single snapshot processing of the received array signal in frequency domain.The received array signal are transformed to frequency domain,and the single snapshot data in frequency domain are regarded as the measured data of the compressed sensing.According to the frequency,searching orientation and array manifold,the overcomplete array manifold is constructed as the sensing matrix of the compressed sensing.Both the target signal and power of the searching orientation are estimated by the basis pursuit method to complete DOA estimation and signal recovery.Simulation results show that the proposed method has a number of advantages over the minimum variance distortionless response(MVDR) method,including improved robustness to noise,fewer requirement in number of sensors and snapshots.And the correlation coefficient of the signal reaches up to 0.89.Experiment results in real environments verify that the proposed method performs more effectively in the detection of weak targets than the MVDR method and can be applied to real sonar system.     

频域单快拍压缩感知目标方位估计和信号恢复方法

方位估计和信号恢复分别是水下目标定位、跟踪和目标识别的前提。提出了一种阵列频域单快拍压缩感知的水下目标方位估计和信号恢复方法。首先将阵列接收数据变换到频域,取频域单快拍数据作为压缩感知的测量值,然后根据频域快拍对应的频率、搜索方位和阵列流形构造过完备的阵列流形矩阵作为压缩感知的感知矩阵,最后通过基追踪算法估计搜索方位上目标信号和功率,实现DOA估计与信号恢复。宽带仿真实验数据验证结果表明,同等条件下完成同样的目标方位分辨,提出的方法比最小方差无失真响应方法要求的阵元数和快拍数较少,要求的信噪比更低,恢复的目标信号更加准确,波形相关系数达到89%以上。海上实验数据处理结果表明,目标检测能力优于最小方差无失真响应方法,证明该方法可以适用于实际声呐系统。      

基于矢量化差分相位的单分布源解耦二维波达方向估计

在分布源(包括相干分布源和非相干分布源)的二维波达方向估计中,均匀圆阵由于可实现全方位测角、具有较高的分辨率,得到了广泛的应用,然而现有的估计算法均需要谱峰搜索和特征值分解,复杂度较高.针对此问题,考虑单个相干分布源或非相干分布源入射两种情况,提出了一种基于矢量化差分相位的解耦二维波达方向快速估计算法.该算法首先基于空间频率近似模型,证明了任意单个分布源入射时,均匀圆阵中不同阵元接收信号间的差分相位均不受角度扩展参数的影响;基于此特性,通过获取差分相位即可实现中心波达角的解耦合;接下来,提取采样协方差矩阵的严格上三角元素相位,即对应于各阵元间的差分相位,并进行矢量化处理,最终将波达方向估计问题转化为一个最小二乘问题,从而直接得到闭式解,避免了谱峰搜索和特征值分解运算,大幅度降低了复杂度.理论分析和仿真实验表明,所提算法具有较高的估计精度,并且无需角信号分布的先验信息,同时具备较低的计算复杂度和硬件复杂度,有利于复杂环境下阵列测向等工程实践.     

Direction of arrival estimation for underwater acoustic target based on compressed sensing after blind reconstruction of array signal in frequency domain

The performance of direction of arrival(DOA) estimation based on compressed sensing(CS) decreases in the complex ocean marine environment.In order to tackle this problem,a method of DOA estimation for underwater acoustic target based on CS after blind reconstruction of array signal in frequency domain is proposed.Firstly,the received array data are transformed to frequency domain by Fourier transform and frequency domain wideband signal are divided into part overlapping multiple sub-band array signal.Secondly,each subband array signal are separated using plural blind source separation(BSS) method,the sub-band separated matrix and target signal can be estimated.Thirdly,the array signal in frequency domain are reconstructed according to the separated matrix and separated signals which were not noises.Fourthly,the sub-band spatial spectrum corresponding to the reconstructed array signal is obtained by CS beamforming method.Finally,the total spatial spectrum is achieved by summing the all sub-band spatial spectrum.And the target direction can be estimated by searching the peak value of the total spatial spectrum.The verification results of simulator data and sea measured data show that,under the same conditions,the target detection ability and direction precision of the proposed method is superior to the classical minimum variance distortionless response(MVDR) method,frequency domain CS method,BSS combined with MVDR method.The spatial spectrum energy of faint target signal is improved obviously,and the ability of the sonar to detect faint target is enhanced.     

波达方向估计中特征空间的信源数估计方法

提出了特征空间法信源数估计方法,它将阵列信号的协方差估计值分别投影到信号的特征子空间和噪声的特征子空间。由于信号子空间与噪声子空间相互正交,易于由表征投影大小的判据值区分信号和噪声的贡献;本方法用的是M×M阶矩阵特征值分解,M为基元数,与波达方向估计用的相同,因此节省大量的计算量;它可以在实数空间中进行运算,进一步减少运算量。进行了数值计算,检验了判据值分布,以及在信源等功率、不等功率和空间相关色噪声等情况下特征空间法的性能。估计方法还用声纳数据进行了检验。所有这些结果均证明本估计方法性能优良。      

Robust algorithm of direction of arrival estimation for coherent wideband sources in unknown correlated noise fields

A robust algorithm of direction of arrival (DOA) estimation for coherent wideband sources in unknown correlated noise fields was investigated. The noise is usually unknown and correlated among sensors in practical applications, especially for arrays with comparatively small apertures. The spatially correlated noise incurs an increase in focusing error and a severe degradation in the DOA estimation, and therefore a method of focusing transformation based on differentiating covariance matrix was proposed to eliminate noise, hence reduce the focusing error. The simulation and experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed method.     

基于L型延迟阵列调制宽带转换器的信号载频和二维到达角联合估计

针对现有的基于欠采样的频率和二维到达角的联合估计存在结构复杂问题,本文提出了一种基于调制宽带转换器技术的L型延迟阵列接收结构.利用延迟通道与未延迟通道采样值之间的相位差可直接估计载频,进而计算二维到达角,无需额外的参数配对操作,避免了配对步骤引入的误差和复杂度的提升.并结合所提L型延迟阵列结构的特点构造相关矩阵和三线性模型,提出了两种参数估计算法,一种基于旋转不变子空间算法,计算量小,适用于需要实时处理的场景;另一种基于正则分解技术,鲁棒性较好,适用于信噪比较低的应用场景.仿真实验表明该方法能较好地从欠奈奎斯特样本中估计目标的载频和二维到达角参数.     

Spatial time-frequency DOA estimation based on joint diagonalization using Jacobi rotation

Direction-of-arrival (DOA) estimation consists of locating closely spaced sources impinging from different directions in the presence of considerable noise or interference. Recently, this problem has been solved using spatial time-frequency distribution (STFD) information that is available in the array signals. In this work, a new joint diagonalization approach based on Jacobi rotation, which can efficiently combine all of the relevant STFD points, is proposed to achieve superior DOA resolutions and suppressed sidelobes in the spatial spectrum. It is discovered that our proposed Jacobi technique leads to a non-orthogonal joint diagonalization structure and can avoid pre-whitening the signal component of the observation. In addition, we further adopt the minimum variance distortionless response (MVDR) processor instead of the MUltiple SIgnal Classification (MUSIC) algorithm to avoid the estimation of the signal subspace and noise subspace in the time-frequency DOA domain. Finally, computer simulations of several frequently encountered types of challenging scenarios (such as low SNR and coherent arrivals) show that significant improvements are achieved by our proposed approach in comparison to the existing techniques.