【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及的是海洋觀測的潛標以及移動觀測平臺的目標探測處理方法，是一種基于少量輔助陣元的互質陣列穩健doa估計方法。
技術介紹
1、在過去的十幾年中，互質陣列在doa估計領域引起了廣泛的關注，因為它們可以擴展成自由度更高的虛擬均勻線陣，同時陣元間遭受較少的耦合效應。在互質陣列的研究中，已經提出了許多用于doa估計的方法，然而，大多數方法僅針對理想狀態下的信號。由于實際水聲環境非常復雜，存在諸多非理想因素從而在陣列中造成了不同的幅度相位誤差，當陣列流形無法精確已知時，這些doa估計方法就無法做到精確定位。因此陣列誤差估計和校正是陣列信號處理中的重要一環，沒有陣列誤差校正，任何的高分辨空間譜估計方法都無法實際使用。為了提高互質陣列的目標探測精度，使之能夠有效地運用到實際生活中，對互質陣列的幅相誤差校正和目標探測的研究仍然是目前研究的熱點，且與社會的發展與穩定息息相關。
2、目前已有的誤差校正算法分為兩類，一類是基于輔助信源的校正算法，一類是基于輔助陣元的校正算法。經典輔助陣元法(ism)需要設定多個經過精確校正的輔助陣元，待估計信源的信源數只能小于輔助陣元的個數。基于協方差矩陣輔助陣元法(r-ism)沒有輔助陣元個數大于估計信源個數的要求，在多信源情況下同樣適用，但只適用于均勻線陣。
3、本專利提出了一種基于少量輔助陣元的互質陣列穩健doa估計方法，將協方差矩陣輔助陣元法與互質陣列子陣分解方法結合，實現了互質陣列在幅相誤差下的doa估計，本專利利用互質陣列的陣元位置特性，只需在互質陣中加入3個輔助陣元即可
技術實現思路
1、實際海洋水聲環境非常復雜，存在諸多非理想因素從而在陣列中造成了不同的幅度相位誤差，導致流形無法精確已知，入射目標無法精確定位。為提高互質陣列的目標探測精度，并解決幅相誤差存在的問題，本專利技術提出一種基于少量輔助陣元的互質陣列穩健doa估計方法，該方法通過在互質陣中加入少量精確校正過的輔助陣元，將互質陣列的協方差矩陣進行子陣分解，利用陣列協方差矩陣中各個元素幅度和相位的特點進行陣列誤差估計，然后對接收數據協方差矩陣進行誤差補償，最后對補償后的協方差矩陣進行擴展構造toeplitz矩陣，用原子范數最小化方法優化toeplitz矩陣中孔洞處的值，最后結合music方法進行doa估計。
2、本專利技術的一種基于少量輔助陣元的互質陣列穩健doa估計方法，其特征在于：互質傳感器陣列構成如下：均勻子陣1的傳感器數量為n，傳感器間距為md，均勻子陣2的傳感器數量為m,傳感器間距為nd，d＝2/λ，λ為波長，互質陣陣列由均勻子陣1和均勻子陣2嵌套構成，將3個經過校正的輔助陣元添加至互質陣列兩端，輔助陣元1放置在均勻子陣1的前端，距離第一個陣元間距為md，輔助陣元2放置在子陣1的后端，距離最后一個陣元間距為md，輔助陣元3放置在子陣2前端，距離第一個陣元間距為nd，由于m×[(n-1)+1]＝n×[(m-1)+1]，輔助陣元3位置共用于新均勻子陣1和新均勻子陣2中，則新均勻子陣1的傳感器數量變為為n1＝n+2，新均勻子陣2的傳感器數量為m1＝m+2，傳感器間距不變，新互質陣列位置集表示為傳感器數量變為z1＝m1+n1-2，一種基于少量輔助陣元的互質陣列穩健doa估計方法包括如下步驟：
3、步驟一、新互質陣列接收數據可表示為對x(t)進行希爾伯特變換，得到陣列接收信號的復信號形式為
4、步驟二、根據陣型與的對應關系，選取輔助陣元1、均勻子陣1和輔助陣元2的接收數據構造新均勻子陣1的接收數據選取輔助陣元3、均勻子陣2和輔助陣元2的接收數據構造新均勻子陣2的接收數據
5、步驟三、利用新互質陣的復信號求協方差矩陣“(·)h”為共軛轉置，其中t為實際應用中的快拍數；
6、步驟四、利用新均勻子陣1的復信號求協方差矩陣利用新均勻子陣2的復信號求協方差矩陣
7、步驟五、根據協方差矩陣估計新均勻子陣1各陣元的相位誤差，可表示為估計新均勻子陣1各陣元的幅度誤差，可表示為根據協方差矩陣估計新均勻子陣2各陣元的相位誤差，可表示為估計新均勻子陣2各陣元的幅度誤差，可表示為
8、步驟六、計算新均勻子陣1的校正向量計算新均勻子陣2的校正向量
9、步驟七、根據新均勻子陣1和新均勻子陣2中各陣元的位置，對和中各對應元素按照新互質陣列陣元位置進行排序重組、去除重復元素，得到新互質傳感器陣列的幅相誤差矩陣
10、步驟八、對步驟三中的協方差矩陣進行誤差補償，得到新互質傳感器陣列經幅相誤差校正后的數據協方差矩陣
11、步驟九、新互質傳感器陣列的差聯合陣位置集合為
12、s＝{±(nmd-mnd)}∪{(nimd-njmd)}∪{(mind-mjnd)}，
13、式中-1≤n,ni,nj≤n；-1≤m,mi,mj≤m，記dx為集合s中的元素，dx在集合s中出現的次數定義為權重系數ω(dx)，去除重復位置差得到虛擬陣元位置集合根據陣元集合確定虛擬陣元的維度為2n(m+1)+1，對校正后的數據協方差矩陣r進行擴展，構成toeplitz矩陣式中
14、步驟十、生成矩陣g，g是與維數相同的零矩陣，將g中對應中元素不為零的位置處設置為1；
15、步驟十一、對步驟九中的toeplitz矩陣進行空洞優化填充，矩陣填充問題可以用如下原子范數優化模型來實現：通過求解相應的半正定規劃問題對進行空洞優化填充，使用得到優化后的其中“tr(·)”表示矩陣的跡，min表示最小化，μ是正則化參數，與維數相同，表示hadamard積，“||?||f”表示矩陣的frobenius范數，“≥”表示半正定，半正定規劃問題可以通過cvx凸優化工具箱求解；
16、步驟十二、對優化后的矩陣進行特征分解，得到個特征值ηi及其對應的特征向量，將其從大到小排列：其中k個較大的特征值對應信號子空間us，個較小的特征值對應噪聲子空間un，k為入射信號的個數，根據信號子空間us或噪聲子空間un來估計入射信號的方位。
17、上述步驟五中的估計方法具體如下：
18、a1.提取協方差矩陣的相位信息angle(·)為提取矩陣的相位信息；
19、a2.相位信息矩陣的上三角部分和矩陣的下三角部分包含的信息完全相同，提取相位信息矩陣的上三角有：
20、
21、a3.對主對角線上方第一條次對角線元素求和得到取均值可得
22、a4.矩陣t1主對角線上方第一條次對角線的所有元素均減φ1，得到α1n，其中n＝1,2,...,n1-1，根據這個公式求解出向量令得到
23、a5.將步驟a1中的協方差矩陣變換為重復上述步驟a1至a4，可得到
24、優選的處理方案為：步驟五中的估計方法具體如下：
【技術保護點】
1.一種基于少量輔助陣元的互質陣列穩健DOA估計方法，其特征在于：互質傳感器陣列構成如下：均勻子陣1的傳感器數量為N，傳感器間距為Md，均勻子陣2的傳感器數量為M,傳感器間距為Nd，d＝2/λ，λ為波長，互質陣陣列由均勻子陣1和均勻子陣2嵌套構成，將3個經過校正的輔助陣元添加至互質陣列兩端，輔助陣元1放置在均勻子陣1的前端，距離第一個陣元間距為Md，輔助陣元2放置在子陣1的后端，距離最后一個陣元間距為Md，輔助陣元3放置在子陣2前端，距離第一個陣元間距為Nd，由于M×[(N-1)+1]＝N×[(M-1)+1]，輔助陣元3位置共用于新均勻子陣1和新均勻子陣2中，則新均勻子陣1的傳感器數量變為為N1＝N+2，新均勻子陣2的傳感器數量為M1＝M+2，傳感器間距不變，新互質陣列位置集表示為傳感器數量變為Z1＝M1+N1-2，一種基于少量輔助陣元的互質陣列穩健DOA估計方法包括如下步驟：
2.如權利要求1所述的一種基于少量輔助陣元的互質陣列穩健DOA估計方法，其特征在于：步驟五中的估計方法具體如下：
3.如權利要求1所述的一種基于少量輔助陣元的互質陣列穩健DOA估計
4.如權利要求1所述的一種基于少量輔助陣元的互質陣列穩健DOA估計方法，其特征在于：步驟九中所述Toeplitz矩陣的構造方法具體如下：令i＝1,2,…,N1+M1-2、j＝1,2,…,N1+M1-2，當時，其中k＝1,2,…,2N(M+1)+1，可以在R中找出ωk(dx)個元素，其中第l個可以表示為Rl(diffk)，第k個虛擬陣元對應的數據為構造的Toeplitz矩陣結構為中的零元素與差聯合陣的空洞是一一對應的關系。
5.如權利要求1所述的一種基于少量輔助陣元的互質陣列穩健DOA估計方法，其特征在于：所述步驟十二中DOA估計方法為：根據公式計算空間譜，對空間譜進行譜峰搜索，其極值對應的角度即為入射信號角度的估計值。
6.如權利要求1所述的一種基于少量輔助陣元的互質陣列穩健DOA估計方法，其特征在于：所述步驟十二中DOA估計方法為：找出前K個大特征值，根據公式可得到入射信號角度的估計值。
...【技術特征摘要】
1.一種基于少量輔助陣元的互質陣列穩健doa估計方法，其特征在于：互質傳感器陣列構成如下：均勻子陣1的傳感器數量為n，傳感器間距為md，均勻子陣2的傳感器數量為m,傳感器間距為nd，d＝2/λ，λ為波長，互質陣陣列由均勻子陣1和均勻子陣2嵌套構成，將3個經過校正的輔助陣元添加至互質陣列兩端，輔助陣元1放置在均勻子陣1的前端，距離第一個陣元間距為md，輔助陣元2放置在子陣1的后端，距離最后一個陣元間距為md，輔助陣元3放置在子陣2前端，距離第一個陣元間距為nd，由于m×[(n-1)+1]＝n×[(m-1)+1]，輔助陣元3位置共用于新均勻子陣1和新均勻子陣2中，則新均勻子陣1的傳感器數量變為為n1＝n+2，新均勻子陣2的傳感器數量為m1＝m+2，傳感器間距不變，新互質陣列位置集表示為傳感器數量變為z1＝m1+n1-2，一種基于少量輔助陣元的互質陣列穩健doa估計方法包括如下步驟：
2.如權利要求1所述的一種基于少量輔助陣元的互質陣列穩健doa估計方法，其特征在于：步驟五中的估計方法具體如下：
3.如權利要...
【專利技術屬性】
技術研發人員：盧嘉寧，王緒虎，鄭蕾，丁磊，田晉一，張大志，王永韜，賈怡凡，
申請(專利權)人：青島理工大學，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。