CN108535682B - 一种基于旋转非均匀双l阵的水下二维doa估计方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于夹角可调非均匀双L阵的水下二维DOA估计方法，估计出目标的方位角和俯仰角。本发明通过对两个夹角可调的水平非均匀线阵的接收信号进行处理，在波达方向中可以消去声速这个因子，从而消除水下声速不确定性对目标定位精度的影响，最终估计出目标的方位角，再通过垂直非均匀线阵可以估计出目标的俯仰角，从而得出目标的具体方位信息。在本发明中，非均匀线阵的使用提高了算法的角分辨率，同时由于两均匀线阵夹角可变，在实际测量中可以改变夹角进行多次测量，能够更好地消除误差。
Description
技术领域
本发明涉及目标定位领域，尤其涉及一种基于旋转非均匀双L阵的水下二维DOA估计方法及装置。
背景技术
水下DOA估计作为阵列信号处理的重要研究内容，在海洋资源探测等领域得到了越来越广泛的应用。原始的DOA估计都是一维DOA估计，即指在单一平面内估计目标信号的方位角，这种一维波达方向角的估计存在很大的局限性，在实际水下目标定位中，处于三维空间的目标需要二维方向角度才能准确定位，因此二维波达方向估计是一个极具现实意义的问题。现有的水下DOA估计方法主要有MUSIC算法和ESPRIT算法，它们同属于特征子空间类算法。根据阵列的特征又可分为基于均匀阵列的DOA估计和基于非均匀阵列的DOA估计，在阵元个数相同的情况下，非均匀阵列能获得比均匀阵列更大的孔径，从而提高了角分辨率，并且非均匀阵列测向精度高，抗模糊性强。
传统的二维DOA估计算法大都是基于均匀L型阵列、均匀矩形阵列等均匀阵列，并且阵列之间的夹角是固定不可调节的，同时在算法中都假定水下声速为一个已知量，而水下环境十分复杂，声速也是不断变化的，把其当成一个固定的值往往会导致较大的误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于旋转非均匀双L阵的水下二维DOA估计方法。本发明通过对两个夹角可调的水平非均匀线阵的接收信号进行处理，在波达方向中消去声速这个因子，从而消除水下声速不确定性对目标定位精度的影响，最终估计出目标的方位角。再通过垂直非均匀线阵估计出目标的俯仰角，从而得出目标的具体方位信息。在本发明中，非均匀线阵的使用提高了算法的角分辨率，且由于两均匀线阵可变，在实际测量中能够改变夹角进行多次测量，更好地消除误差。
本发明的目的能够通过以下技术方案实现：
一种基于旋转非均匀双L阵的水下二维DOA估计方法，具体步骤包括：
(1)建立夹角可调的非均匀双L线阵模型并推导三个阵列各自的信号接收模型；
(2)推导并求解三个非均匀线阵的相位补偿矩阵；
(3)分别对三个非均匀线阵的初始相位补偿后的接收信号阵列进行迭代，得到最终的旋转算子的值；
(4)建立声波入射到三个线阵中的各自方位角与声波入射到三维线阵中的方位角和俯仰角之间的关系；
(5)根据步骤(4)得到的关系式求解出结果；
(6)改变两水平非均匀线阵之间的夹角，重复步骤(1)-(5)；求出不同线阵夹角对应的信号入射方位角和俯仰角，对结果取平均值求得最终结果。
进一步地，在所述步骤(1)中，两水平非均匀线阵分别设为x轴和y轴，且它们之间夹角为αn，垂直非均匀线阵设为z轴。为了方便表述，在本发明中，令三个非均匀线阵的接收阵元个数都相等且都为M个。
更进一步地，x轴非均匀线阵第一阵元到第m个阵元相对于原点O的位置分别为x1,x2,…,xm,m＝1,2,…,M，其中
更进一步地，y轴非均匀线阵第一阵元到第m个阵元相对于原点O的位置分别为y1,y2,…,ym,m＝1,2,…,M，其中
更进一步地，z轴非均匀线阵第一阵元到第m个阵元相对于原点O的位置分别为z1,z2,…,zm,m＝1,2,…,M，其中
其中，λ为声波的波长。即x、y、z轴中非均匀线阵两相邻阵元之间的间距要小于声波信号的半波长。x、y、z轴非均匀线阵阵元的平均间距分别表示为：
因为且声波在探测路径上的速度v是未知的，因此取v为其范围中的最小值以确定λ的值，从而得到三个非均匀线阵阵元之间平均间距的范围，且有xm-xm-1＝ym-ym-1＝zm-zm-1,m＝2,3,…,M。
在所述步骤(1)中得到三个非均匀线阵的阵元分布后，设目标信号的方位角θ为信号入射方向在xy平面投影与x轴的夹角，俯仰角φ为信号入射方向与xy平面的夹角。当x轴和y轴夹角为αn时，目标信号的方位角设为θn且θn∈(0,π)，俯仰角设为φn且φn∈(0,π/2)，目标声源入射方向与x轴法线的夹角为θnx，与y轴法线的夹角为θny，与z轴法线夹角为θnz，上述坐标轴的法线与相应坐标轴以及入射信号共面。
进一步地，当线阵夹角为αn时，目标声源对应于两水平线阵的方向角分别为θnx和θny，对应于垂直线阵的方向角为θnz。因此，以处于位置x1处的第一个阵元为参考阵元，则第一个阵元接收的信号为：
x1(t)＝sx(t)+nx1(t)
其中，sx(t)表示t时刻到达x轴非均匀线阵第一个阵元上的目标信号，即从目标反射回来的声波信号，nx1(t)表示x轴非均匀线阵上第一个阵元上的噪声。
更进一步地，接收信号满足窄带条件，即当信号延迟远远小于带宽倒数时，延迟作用相当于使基带信号产生一个相移，那么对于x轴非均匀线阵上第m个阵元，在同一时刻接收到的信号为：
xm(t)＝sx(t)am(θnx)+nxm(t),m＝1,2,…,M
其中，am(θnx)中v表示声波在探测路径上的速度，nxm(t)表示x轴非均匀线阵上第m个阵元上的噪声。
因此，x轴非均匀线阵的接收信号模型可表示为：
X(t)＝Axsx(t)+Nx(t) (1)
其中，为M×1的x轴非均匀线阵的导向矢量矩阵，X(t)＝[x1(t),x2(t),…,xM(t)]T为M×1的x轴非均匀线阵的接收信号矩阵，Nx(t)＝[nx1(t),nx2(t),…,nxM(t)]T为M×1的x轴非均匀线阵的噪声矩阵。
进一步地，对于y轴非均匀线阵，以处于位置y1处的第一个阵元为参考阵元，则第一个阵元接收的信号为：
y1(t)＝sy(t)+ny1(t)
其中，sy(t)表示t时刻到达y轴非均匀线阵第一个阵元上的目标信号，即从目标反射回来的声波信号，其中ny1(t)表示y轴非均匀线阵上第一个阵元上的噪声。
更进一步地，那么y轴非均匀线阵上第m个阵元，在同一时刻接收到的信号为：ym(t)＝sy(t)am(θny)+nym(t),m＝1,2,…,M，其中am(θny)中v表示声波在探测路径上的速度，nym(t)表示y轴非均匀线阵上第m个阵元上的噪声。
因此，y轴非均匀线阵的接收信号模型可表示为：
Y(t)＝Aysy(t)+Ny(t) (2)
其中，为M×1的y轴非均匀线阵的导向矢量矩阵，Y(t)＝[y1(t),y2(t),…,yM(t)]T为M×1的y轴非均匀线阵的接收信号矩阵，Ny(t)＝[ny1(t),ny2(t),…,nyM(t)]T为M×1的y轴非均匀线阵的噪声矩阵。
进一步地，对于z轴非均匀线阵，以处于位置z1处的第一个阵元为参考阵元，则第一个阵元接收的信号为：
z1(t)＝sz(t)+nz1(t)
其中，sz(t)表示t时刻到达z轴非均匀线阵第一个阵元上的目标信号，即从目标反射回来的声波信号，其中nz1(t)表示z轴非均匀线阵上第一个阵元上的噪声。
更进一步地，对于z轴非均匀线阵上第m个阵元，在同一时刻接收到的信号为：zm(t)＝sz(t)am(θnz)+nzm(t),m＝1,2,…,M，其中am(θnz)中v表示声波在探测路径上的速度，nzm(t)表示z轴非均匀线阵上第m个阵元上的噪声。
因此，z轴非均匀线阵的接收信号模型可表示为：
Z(t)＝Azsz(t)+Nz(t) (3)
其中，为M×1的z轴非均匀线阵的导向矢量矩阵，Z(t)＝[z1(t),z2(t),…,zM(t)]T为M×1的z轴非均匀线阵的接收信号矩阵，Nz(t)＝[nz1(t),nz2(t),…,nzM(t)]T为M×1的z轴非均匀线阵的噪声矩阵。
具体地，设定线阵X是实际x轴非均匀的M元线阵，线阵是x轴非均匀线阵对应的参考x轴均匀M元线阵，其中参考x轴均匀线阵的第一个阵元到第m个阵元相对于原点的位置分别为/>参考x轴均匀线阵第一个阵元和最后一个阵元的位置与实际x轴非均匀线阵第一个阵元和最后一个阵元的位置相同，即/>并且参考轴均匀线阵的阵元间距为/>则实际x轴非均匀线阵和参考x轴的均匀线阵之间的位置差Δx，表示为：
其中，
参考轴均匀线阵的导向矩阵可以表示为：
可以得到实际轴非均匀线阵的参考水平均匀线阵阵元位置的偏差引起的相位偏移，具体表示为：
因此，得到实际轴非均匀线阵的导向矩阵和参考轴均匀线阵的导向矩阵之间的关系为：
进一步地，定义θnx方向上的水平相位补偿矩阵Bx(θnx)为Px(θnx)的逆矩阵，即水平相位补偿矩阵可表示为：
将式(7)代入式(6)，并整理可得：
对于实际x轴非均匀线阵接收到的数据，有X(t)＝Axsx(t)+Nx(t)，那么对其进行相位补偿后得到的参考x轴均匀线阵接收到的数据有：
因为是参考x轴均匀线阵的接收信号矩阵，即接收数据，而参考均匀线阵具有移不变性，所以可以用ESPRIT算法对接收信号矩阵/>进行DOA估计，从而可求出对应于水平线阵的方向角θnx。
具体地，对于y轴非均匀线阵和z轴非均匀线阵进行相同的推导，求解三个非均匀线阵的初始相位补偿矩阵。因为相位补偿矩阵中含有入射波的方向角，而入射波的方向角一开始是未知的，因此需要先计算出方向角的一个近似值来构造初始相位补偿矩阵，从而得到近似的参考均匀线阵的接收信号矩阵。采用ESPRIT算法直接对实际的非均匀线阵进行DOA估计，得到真实方向角的一个近似值。
对于实际x轴非均匀线阵的接收信号矩阵X(t)，直接用ESPRIT算法对X(t)进行估计，可以得到x轴旋转算子的值Φx，其中从而可得到第一次估计后θnx的值：
其中θnx1表示第一次估计后得到的θnx值，Φx1表示第一次估计后得到的x轴旋转算子Φx值。
将式(10)代入式(5)，可得：
其中，Px1(θnx1)表示第一估计后的Px(θnx)值。
因此，x轴初始相位补偿矩阵为：
于是，经过初始相位补偿后的参考均匀线阵的接收信号阵列为：
同理可以求出y轴非均匀线阵和z轴非均匀线阵的初始相位补偿矩阵以及对应的参考均匀线阵的接收信号阵列。
具体地，当相位补偿矩阵是基于每个接近于真实信号的角度时，所得角度将收敛于真实信号的角度。由公式(10)可知，当角度确定时，旋转算子也将确定，因此在迭代过程中，每次估计的旋转算子的值也将收敛。对于初始相位补偿后的x轴均匀线阵的接收阵列，再次利用ESPRIT算法对其进行DOA估计，得到第二次估计后的x轴旋转算子的值Φx2，判断是否小于ε，其中ε是一个根据实际情况而定的阈值，若小于ε，则Φx2就是真实角度θx对应的x轴旋转算子Φx；若不小于ε，则利用Φx2继续根据步骤(3)的步骤更新相位补偿矩阵并估计出第二次相位补偿后的均匀线阵接收信号阵列/>然后对其进行第三次估计得到水平旋转算子Φx3，判断其是否收敛，若不收敛，则继续迭代，直至当Φxt满足以下判断准则时:
其中Φxt表示第t次估计后得到的水平旋转算子的值，ε是一个根据实际情况而定的阈值。
则有Φx＝Φxt，于是声波相对于x轴非均匀线阵的方向角为：
同理可以得出声波相对于y轴非均匀线阵的方向角为：
声波相对于z轴非均匀线阵的方向角为：
具体地，所述步骤(5)中，由立体几何关系可以得出声波入射到三个线阵中的各自方位角θnx、θny、θnz与声波入射到三维线阵中的方位角θn和俯仰角φn之间的关系，表示形式为：
sinθnx＝cosθncosφn (16)
sinθny＝cos(αn-θn)cosφn (17)
sinθnz＝sinφn (18)
将公式(13)、公式(14)和公式(15)分别代入公式(16)、公式(17)和公式(18)可以得到：
且有dx＝dy＝dz。
具体地，所述步骤(6)中，结合公式(19)和公式(20)可以得出
从而求出
再结合公式(19)和公式(21)可以得到：
根据公式(22)求出θn再代入公式(23)可求出φn。
具体地，所述步骤(6)中，改变两水平非均匀线阵之间的夹角αn,n＝1,2,...,N，重复步骤(1)至步骤(5)。对于不同的线阵夹角αn，由公式(22)和公式(23)求出对应的信号入射方位角和俯仰角，最后对N个结果取平均值得出最终结果。
本发明的另一目的在于提出一种基于旋转非均匀双L阵的水下二维DOA估计装置。
本发明的另一目的能够通过以下技术方案实现：
一种基于旋转非均匀双L阵的水下二维DOA估计装置，包括数据处理与控制模块、发射模块、接收模块、输出模块以及电源模块。
所述数据处理与控制模块包括一个多路A/D转换器、一个D/A转换器和一个处理器。数据处理与控制模块是整个装置的核心部分，其他模块都与其直接相连。数据处理与控制模块用于控制发射模块，使发射模块发射指定的信号；用于控制接收模块的夹角可调双L阵，使两水平非均匀线阵的夹角转至设定值；用于对接收模块传过来的信号进行处理，计算出波达方向角和俯仰角，将结果传输至输出模块。
所述接收模块包括三个超声波接收探头阵列、步进电机驱动系统、多个运算放大器以及多个阻抗匹配电路。
所述发射模块包括一个功率放大器、阻抗匹配电路和一个超声波发射探头。发射模块用于对处理器发出的信号经过D/A转换后使用功率放大器进行放大，再经过阻抗匹配电路传输到超声波发射探头，使发射探头发送指定的信号。
所述电源模块由一个电源组成。电源模块发射模块、数据处理与控制模块、接收模块以及输出模块相连接，用于为上述模块进行供电。
具体地，所述装置的具体工作流程为：在实测过程中，根据所发射信号的参数，通过数据处理与控制模块输入对应的参数，使处理器产生相应的电子信号，然后通过D/A转换后传给发射模块，发射模块中的超声波发射探头产生所需的信号并发射。通过数据处理与控制模块对两水平非均匀线阵之间的夹角值进行设定，处理器通过发送特定的脉冲信号控制步进电机转动至所需的角度。目标声源反射回来的信号被接收模块中每个非均匀接收阵列的各个阵元接收，对信号进行阻抗匹配和放大后通过多路A/D转换器转换成数字信号，在发送给处理器计算出结果。最后数据处理与控制模块将计算结果传输到输出模块，输出模块通过USB接口将计算结果传输到外部设备或者通过显示器进行显示。在装置的工作过程中，电源模块为其他所有模块进行供电。
本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：
1、为了改进传统的二维DOA估计算法，本专利采用一个三维的非均匀双L线阵，其中两个阵列之间的夹角可变，这两个线阵称为水平非均匀线阵，第三个线阵与另外两个线阵正交，这个线阵称为垂直非均匀线阵，即垂直非均匀线阵分别与两个水平非均匀线阵组成L阵。通过对三个非均匀线阵的接收信号进行处理，充分利用非均匀阵列的优点，可以在算法过程中采用一维ESPRIT算法分别估计出目标的方位角和俯仰角，达到二维波达方向估计的目的，同时使结果与水下声速无关，此外，本发明所用双L阵中两水平非均匀线阵夹角是可以调节的，而传统的双L阵各个线阵之间的夹角是固定的，与其相比，夹角可调非均匀双L阵在测量过程中可以设置多组角度进行多次测量，可以更有效地提高测量精度。
2、本发明提出的方法在不需要知道声速大小的情况下就能够分别估计出目标的方位角和俯仰角，通过三维的非均匀双L阵使一次二维DOA估计问题转换为两次一维DOA估计问题，大大减小了计算量，充分利用了非均匀线阵的优点，同时还克服了传统ESPRIT算法必须把声速当成已知量的缺点。此外本发明提供的方法还可以改变双L阵中其中两个接收阵列的夹角，对不同的夹角值进行多次估计后取平均值，能够有效地消除误差。
3、本发明采用夹角可调的双L非君元线阵作为接收阵列，再利用ESPRIT算法进行水下二维DOA估计。与传统的采用均匀接收阵列的方法相比，本发明提高了估计结果的角度分辨力，测量精度以及抗模糊性，同时还使超声波接收探头的摆放具有很强的灵活性。
4、本发明装置在传统的测量装置上进行了改进，实用夹角可调节的双L阵，可行性强，安装简单。通过在传统方法上进行了改进，保留了ESPRIT算法分辨率高的优点，且改进后的方法的运算量和复杂度没有过多增加，保证了本发明方法的可行性。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明所用的夹角可调非均匀线阵的模型图；
图3为x轴非均匀线阵的接收信号模型图；
图4为x轴非均匀线阵以及对应的参考x轴均匀线阵的对比示意图；
图5为本发明装置的硬件结构模块图；
图6为三个阵列的接收阵元与处理器相连接的示意图；
图7为本发明装置中接收模块连接的示意图；
图8为本发明装置中接收模块连接的俯视图；
图9为本发明装置中接收模块连接的侧视图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示为一种基于旋转非均匀双L阵的水下DOA估计方法的流程图，所述方法的具体步骤包括：
(1)建立夹角可调的非均匀双L线阵模型并推导三个阵列各自的信号接收模型；
在本实施例中，三个非均匀线阵中的阵元个数为8个，所发射信号的频率为fs＝10kHz，脉冲长度为5ms。在海水中声速的范围大致为1430m/s-1550m/s，因此取最小声速为1430m/s，求出的最小半波长为7.15cm。所以设置三个非均匀线阵的平均间距为5cm，即第一个阵元与最后一个阵元相距35cm，任意两个相邻阵元之间的距离必须小于7.15cm。
在满足上述限制条件下任意选取阵元间距，在本实施例中，对三个非均匀线阵的阵元间距分别取为4cm，5cm，4cm，3cm，6cm，6cm，7cm。设置5个不同的线阵夹角值，即取N＝5，夹角值分别为15°，30°，45°，60°，75°，首先将两非均匀线阵夹角设为15°。在水下放置一个目标声源，入射到双L阵的方位角为60°，俯仰角为45°。其中，本发明所用的夹角可调非均匀线阵的模型图如图2所示。
根据上述参数，可以分别得到三个阵列具体的信号接收模型：X(t)＝Axsx(t)+Nx(t)，其中
Y(t)＝Aysy(t)+Ny(t)，其中
Z(t)＝Azsz(t)+Nz(t)，其中
根据接收到的信号得出x轴非均匀线阵的接收信号矩阵X(t)、y轴非均匀线阵的接收信号矩阵Y(t)和z轴的非均匀线阵的接收信号矩阵Z(t)。其中，x轴非均匀线阵的接收信号模型图如图3所示。
(2)推导并求解三个非均匀线阵的相位补偿矩阵；
在本实施例中，x轴非均匀线阵接收到的信号为x1(t),x2(t),…,x8(t)，y轴非均匀线阵接收的信号为y1(t),y2(t),…,y8(t)，z轴非均匀线阵接收的信号为z1(t),z2(t),…,z8(t)，共采样接收200次。
采用EPSRIT算法对X(t)、Y(t)和Z(t)进行估计，得到第一次估计后的x轴非均匀旋转算子Φx1、y轴非均匀线阵的旋转算子Φy1和z轴非均匀线阵的旋转算子Φz1。
利用旋转算子Φx1、Φy1和Φz1分别得到x轴初始相位补偿矩阵、y轴初始相位补偿矩阵和z轴初始相位补偿矩阵，从而计算出经过初始相位补偿后的参考x轴均匀线阵的接收信号矩阵Bx1(θnx1)、参考y轴均匀线阵的接收信号矩阵By1(θny1)和参考z轴均匀线阵的接收信号矩阵Bz1(θnz1)；x轴非均匀线阵以及对应的参考x轴均匀线阵的对比示意图如图4所示。
(3)分别对三个非均匀线阵的初始相位补偿后的接收信号阵列进行迭代，得到最终的旋转算子的值；
利用ESPRIT算法对和/>进行估计，得到第二次估计后的x轴旋转算子Φx2、y轴旋转算子Φy2和z轴旋转算子Φz2。
判断前后两次估计的旋转算子是否收敛，即是否满足 和/>其中，阈值ε的值设定为0.05，若满足，则Φx＝Φxt、Φy＝Φyt且Φz＝Φzt；若不满足，重复步骤(2)至步骤(4)。
(4)建立声波入射到三个线阵中的各自方位角与声波入射到三维线阵中的方位角和俯仰角之间的关系；
利用最终估计出的旋转算子Φx、Φy、Φz和线阵夹角，计算出当前线阵夹角值下的信号入射方位角
然后计算出俯仰角
(5)根据步骤(4)得到的关系式求解出结果；
(6)改变两水平非均匀线阵之间的夹角，重复步骤(1)-(5)；求出不同线阵夹角对应的信号入射方位角和俯仰角，对结果取平均值求得最终结果。
改变两水平非均匀线阵之间的夹角，分别设为30°，45°，60°，75°根据每次计算出来的结果最后取平均值，根据本发明算法估计出的方位角60°，俯仰角为45°，与实际角度相同，说明估计结果正确，本发明方法及装置可行。
如图5所示为一种基于旋转非均匀双L阵的水下二维DOA估计装置的硬件结构模块图，所述装置包括数据处理与控制模块、发射模块、接收模块、输出模块以及电源模块。
所述数据处理与控制模块包括一个多路A/D转换器、一个D/A转换器和一个处理器。数据处理与控制模块是整个装置的核心部分，其他模块都与其直接相连。数据处理与控制模块用于控制发射模块，使发射模块发射指定的信号；用于控制接收模块的夹角可调双L阵，使两水平非均匀线阵的夹角转至设定值；用于对接收模块传过来的信号进行处理，计算出波达方向角和俯仰角，将结果传输至输出模块。装置中三个阵列的接收阵元与处理器相连接的示意图如图6所示。
优选地，在本实施例中，采用ADI公司的ADSP-21992型号的DSP芯片，该芯片能够实现多路A/D转换和D/A转换的功能，运算能力强。
所述接收模块包括三个超声波接收探头阵列、步进电机驱动系统、多个运算放大器以及多个阻抗匹配电路。本发明装置中接收模块连接的示意图及其连接时的俯视图和仰视图分别如图7、8、9所示。
优选地，在本实施例中，采用东芝公司的23HY6606-CP型号的步进电机，该步进电机的部距角为1.8度。采用东芝公司的TC78S600FTG型号芯片作为步进电机驱动器。采用ADI公司的HMC797APM5E型号的功率放大器。
在本实施例中，接收模块还还使用三个非均匀直线阵列，其中每个阵列包括多个超声接收探头且探头数量相同，每个接收探头经过阻抗匹配电路后与一个功率放大器进行连接。
所述发射模块包括一个功率放大器、阻抗匹配电路和一个超声波发射探头。发射模块用于对处理器发出的信号经过D/A转换后使用功率放大器进行放大，再经过阻抗匹配电路传输到超声波发射探头，使发射他那头发送指定的信号。
优选地，在本实施例中，采用ADI公司的HMC797APM5E型号的功率放大器。
所述电源模块由一个电源组成。电源模块发射模块、数据处理与控制模块、接收模块以及输出模块相连接，用于为上述模块进行供电。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于旋转非均匀双L阵的水下二维DOA估计方法，其特征在于，具体步骤包括：
(1)建立夹角可调的非均匀双L线阵模型并推导三个阵列各自的信号接收模型；
(2)推导并求解三个非均匀线阵的初始相位补偿矩阵；
(3)分别对三个非均匀线阵的初始相位补偿后的接收信号阵列进行迭代，得到最终的旋转算子的值；
(4)建立声波入射到三个线阵中的各自方位角与声波入射到三维线阵中的方位角和俯仰角之间的关系；
(5)根据步骤(4)得到的关系式求解出结果；
(6)改变两水平非均匀线阵之间的夹角，重复步骤(1)-(5)；求出不同线阵夹角对应的信号入射方位角和俯仰角，对结果取平均值求得最终结果；
步骤(1)中，两水平非均匀线阵分别设为x轴和y轴，且它们之间夹角为αn，垂直非均匀线阵设为z轴，垂直非均匀线阵z轴与两水平非均匀线阵x轴和y轴正交，垂直非均匀线阵z轴分别与两个水平非均匀线阵x轴和y轴组成L阵，两个水平非均匀线阵x轴和y轴之间的夹角αn可变；
步骤(1)中，三个阵列各自的信号接收模型分别为：
x轴非均匀线阵的接收信号模型表示为：
X(t)＝Axsx(t)+Nx(t) (1)
其中，为M×1的x轴非均匀线阵的导向矢量矩阵，X(t)＝[x1(t),x2(t),…,xM(t)]T为M×1的x轴非均匀线阵的接收信号矩阵，Nx(t)＝[nx1(t),nx2(t),…,nxM(t)]T为M×1的x轴非均匀线阵的噪声矩阵；x轴非均匀线阵第一阵元到第m个阵元相对于原点O的位置分别为x1,x2,…,xm,m＝1,2,…,M；M表示x、y、z轴非均匀线阵的接收阵元个数；sx(t)表示t时刻到达x轴非均匀线阵第一个阵元上的目标信号，即从目标反射回来的声波信号；/>am(θnx)中v表示声波在探测路径上的速度，nxm(t)表示x轴非均匀线阵上第m个阵元上的噪声；
y轴非均匀线阵的接收信号模型表示为：
Y(t)＝Aysy(t)+Ny(t) (2)
其中，为M×1的y轴非均匀线阵的导向矢量矩阵，Y(t)＝[y1(t),y2(t),…,yM(t)]T为M×1的y轴非均匀线阵的接收信号矩阵，Ny(t)＝[ny1(t),ny2(t),…,nyM(t)]T为M×1的y轴非均匀线阵的噪声矩阵；y轴非均匀线阵第一阵元到第m个阵元相对于原点O的位置分别为y1,y2,…,ym,m＝1,2,…,M；sy(t)表示t时刻到达y轴非均匀线阵第一个阵元上的目标信号，即从目标反射回来的声波信号；/>am(θny)中v表示声波在探测路径上的速度，nym(t)表示y轴非均匀线阵上第m个阵元上的噪声；
z轴非均匀线阵的接收信号模型表示为：
Z(t)＝Azsz(t)+Nz(t) (3)
其中，为M×1的z轴非均匀线阵的导向矢量矩阵，Z(t)＝[z1(t),z2(t),…,zM(t)]T为M×1的z轴非均匀线阵的接收信号矩阵，Nz(t)＝[nz1(t),nz2(t),…,nzM(t)]T为M×1的z轴非均匀线阵的噪声矩阵；z轴非均匀线阵第一阵元到第m个阵元相对于原点O的位置分别为z1,z2,…,zm,m＝1,2,…,M；sz(t)表示t时刻到达z轴非均匀线阵第一个阵元上的目标信号，即从目标反射回来的声波信号；/>am(θnz)中v表示声波在探测路径上的速度，nzm(t)表示z轴非均匀线阵上第m个阵元上的噪声；
步骤(2)中求解的三个非均匀线阵的初始相位补偿矩阵，具体表示为：
x轴初始相位补偿矩阵为：
其中，θnx1表示第一次估计后得到的θnx值，Φx表示x轴旋转算子的值，/>Φx1表示第一次估计后得到的x轴旋转算子Φx值，Px1(θnx1)表示第一估计后的Px(θnx)值，
其中，参考x轴均匀线阵的第一个阵元到第m个阵元相对于原点的位置分别为
y轴初始相位补偿矩阵为：
其中，θny1表示第一次估计后得到的θny值，Φy表示y轴旋转算子的值，/>Φy1表示第一次估计后得到的y轴旋转算子Φy值，Py1(θny1)表示第一估计后的Py(θny)值，
其中，参考y轴均匀线阵的第一个阵元到第m个阵元相对于原点的位置分别为
z轴初始相位补偿矩阵为：
其中，θnz1表示第一次估计后得到的θnz值，Φz表示z轴旋转算子的值，/>Φz1表示第一次估计后得到的z轴旋转算子Φz值，Pz1(θnz1)表示第一估计后的Pz(θnz)值，
其中，参考z轴均匀线阵的第一个阵元到第m个阵元相对于原点的位置分别为
步骤(3)中，具体迭代方法为：
对于初始相位补偿后的x轴均匀线阵的接收阵列，再次利用ESPRIT算法对其进行DOA估计，得到第二次估计后的x轴旋转算子的值Φx2，判断是否小于ε，其中ε是一个根据实际情况而定的阈值，若小于ε，则Φx2就是真实角度θx对应的x轴旋转算子Φx；若不小于ε，则利用Φx2继续根据步骤(3)的步骤更新相位补偿矩阵并估计出第二次相位补偿后的均匀线阵接收信号阵列/>然后对其进行第三次估计得到水平旋转算子Φx3，判断其是否收敛，若不收敛，则继续迭代，直至当Φxt满足以下判断准则时:
其中，Φxt表示第t次估计后得到的水平旋转算子的值，ε是一个根据实际情况而定的阈值；
对于y轴和z轴的最终旋转算子的迭代方式与x轴的最终旋转算子的迭代方式相同；
得到三个非均匀线阵的最终旋转算子后，声波对于三个非均匀线阵的方向角具体为：
声波相对于x轴非均匀线阵的方向角为：
其中，参考轴均匀线阵的阵元间距为
声波相对于y轴非均匀线阵的方向角为：
其中，参考轴均匀线阵的阵元间距为
声波相对于z轴非均匀线阵的方向角为：
其中，参考轴均匀线阵的阵元间距为
在步骤(4)中，由立体几何关系得出声波入射到三个非均匀线阵中的各自方位角θnx、θny、θnz与声波入射到三维线阵中的方位角θn和俯仰角φn之间的关系，表示形式为：
sinθnx＝cosθncosφn (16)
sinθny＝cos(αn-θn)cosφn (17)
sinθnz＝sinφn (18)
结合声波相对于三个非均匀线阵的方向角，得到：
且有dx＝dy＝dz；
结合公式(19)(20)，得到
从而求出
其中αn为两水平非均匀线阵之间的夹角；结合公式(19)(21)得到：
根据公式(22)求出θn后再代入公式(23)求出φn；
在步骤(6)中，改变两水平非均匀线阵之间的夹角αn,n＝1,2,...,N，重复步骤(1)至步骤(5)；对于不同的线阵夹角αn，求出对应的信号入射方位角和俯仰角，最后对N个结果取平均值得出最终结果。
2.一种用于实现权利要求1的基于旋转非均匀双L阵的水下二维DOA估计装置，其特征在于，所述装置包括数据处理与控制模块、发射模块、接收模块、输出模块以及电源模块；
所述数据处理与控制模块包括一个多路A/D转换器、一个D/A转换器和一个处理器；数据处理与控制模块是整个装置的核心部分，其他模块都与其直接相连；数据处理与控制模块用于控制发射模块，使发射模块发射指定的信号；用于控制接收模块的夹角可调双L阵，使两水平非均匀线阵的夹角转至设定值；用于对接收模块传过来的信号进行处理，计算出波达方向角和俯仰角，将结果传输至输出模块；
所述接收模块包括三个超声波接收探头阵列、步进电机驱动系统、多个运算放大器以及多个阻抗匹配电路；
所述发射模块包括一个功率放大器、阻抗匹配电路和一个超声波发射探头；发射模块用于对处理器发出的信号经过D/A转换后使用功率放大器进行放大，再经过阻抗匹配电路传输到超声波发射探头，使发射探头发送指定的信号；
所述电源模块由一个电源组成；电源模块发射模块、数据处理与控制模块、接收模块以及输出模块相连接，用于为上述模块进行供电。
3.根据权利要求2所述的一种基于旋转非均匀双L阵的水下二维DOA估计装置，其特征在于，所述装置的具体工作流程为：
在实测过程中，根据所发射信号的参数，通过数据处理与控制模块输入对应的参数，使处理器产生相应的电子信号，然后通过D/A转换后传给发射模块，发射模块中的超声波发射探头产生所需的信号并发射；通过数据处理与控制模块对两水平非均匀线阵之间的夹角值进行设定，处理器通过发送特定的脉冲信号控制步进电机转动至所需的角度；目标声源反射回来的信号被接收模块中每个非均匀接收阵列的各个阵元接收，对信号进行阻抗匹配和放大后通过多路A/D转换器转换成数字信号，在发送给处理器计算出结果；最后数据处理与控制模块将计算结果传输到输出模块，输出模块通过USB接口将计算结果传输到外部设备或者通过显示器进行显示；在装置的工作过程中，电源模块为其他所有模块进行供电。
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