声速无关的水下快速DOA估计算法研究

发布时间：2020-06-13 14:20

【摘要】：作为阵列信号处理的一个基本问题,波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计在许多领域有着十分广泛的应用,如雷达探测、水下目标定位等,而随着海洋资源的不断开发,水下DOA估计发挥的作用也日益重要。水下探测一般使用声波,并且传统的水下DOA估计算法都把声速视为常量计算。然而在实际水声环境中,声速受温度、盐度等因素的影响不断变化,将声速视作常量将导致较大的估计误差,因此克服声速影响的水下DOA估计成了一个亟待解决的问题。在与克服声速影响的水下DOA研究上,现有研究通过增加阵列,并利用阵列间的几何关系得到与声速无关的DOA估计方法,但是这类方法需要复杂度极高的配对算法,当目标信号数目增加时,估计时间呈阶乘级增长。为了解决现有方法的高复杂度问题,本文分别针对一维和二维DOA估计,研究了基于任意交叉线阵的声速无关快速估计算法。本文所提算法不仅在算法估计时消除声速的影响,且比现有声速无关的算法更加快速、高效。本文的主要工作有:1.介绍了DOA估计的理论基础,包括空间谱估计、DOA估计常用阵列结构及其数学模型、矩阵代数相关理论知识等。此外还介绍了DOA估计相关的性能指标。2.对已有将声速视为常量的DOA估计算法进行仿真,分析声速误差对DOA估计精度的影响,同时对现有声速无关DOA估计算法性能进行了仿真并分析了算法的计算法复杂度。3.针对一维DOA估计的情况,提出了一种基于任意交叉线阵的声速无关快速估计算法,该算法利用两交叉线阵之间的几何关系,推导出与声速无关的且无需参数配对的一维DOA估计解析表达式。同时还分析了算法的计算复杂度并对其性能表现进行了仿真,结果显示该算法不受声速误差的影响,比传统算法估计精度更高,且估计速度远远快于现有声速无关算法。4.将用于一维DOA估计的声速无关快速算法推广到二维DOA估计的情况,在原有阵列结构的基础上再增加一条阵列,根据阵列之间的几何关系推导出与声速无关的低配对复杂度的二维DOA估计解析表达式,然后对其复杂度进行分析并通过仿真分析其性能,结果表明该算法在变声速环境中估计性能优于传统算法,同时其估计速度远高于现有声速无关算法
【图文】：

系统结构图,空间谱估计,系统结构图

第二章 DOA 估计理论基础阵列信号处理中的一个基本问题是空间谱估计，它指的是估计出信号在空间上各个向的能量分布，通过估计出空间谱，能够求解出信号的波达方向角，因此空间谱估计可称为 DOA 估计。DOA 估计在许多领域有着非常广泛的应用，例如水下目标定位、事侦察和雷达探测等，DOA 估计通常利用信号传播到空间阵列各阵元之间的波程差估计目标的方位角和俯仰角等参数。本章将介绍空间谱估计系统结构、矩阵代数相关识、目标信号和噪声信号的数学模型、一维和二维 DOA 估计常用阵列结构和它们的学模型和 DOA 估计性能的评价指标。.1 空间谱估计系统结构空间谱估计通过使用各种结构的阵列，，然后利用信号入射到不同阵元之间的波程差估计目标信号的空域参数，包括信号的方位角、俯仰角、频率和距离等。虽然所用阵结构可能各式各样，但系统结构都是一样的，可以用图 2-1[2]来表示。

均匀线阵,结构示意图

信号传输过程中会受到各种噪声的影响，如果将所情况异常复杂，因此本文假设所有噪声都为零均值高斯白噪之间相互独立，且都与目标信号独立，则噪声信号 n (t)满足如 21 2 1 21 2 1 2( ) ( ) =( ) ( ) 0HHE n t n t t tE n t n t t t I单位矩阵。A 估计常用阵列以及数学模型估计常用均匀线阵进行估计。均匀线阵结构如图 2-4 所示，阵上阵元，阵元间距为d 。设有K 个远场窄带声波信号入射到，信号的中心频率为 fiKi, 1,2, ,，声速为 ciKi, 1,2, ,，K , ,, 12 ，定义为信号入射方向与线阵所在直线的法线的夹
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN911.7

【参考文献】