声矢量锥形阵的高阶累积量波达方向估计

为解决信源在较低信噪比情况下的测向分辨率问题,提出阵列可扩展的声矢量锥形阵测向算法。算法基于四阶累积量的阵列扩展和高斯噪声抑制特性,计算声矢量传声器不同输出分量的四阶累积量,使其在三维方向上扩展与原阵型结构相同的虚拟阵,从而构造包含角度信息的旋转不变矩阵进行测向。推导给出了算法的克拉美罗界,理论分析了算法性能受信噪比、采样快拍以及入射声源俯仰角的影响。仿真实验验证了该算法较常规声矢量阵ESPRIT算法有更优的噪声抑制能力及更高分辨的DOA估计性能。      

双基地多输入多输出虚拟阵列的稳健低旁瓣波束优化技术

双基地多输入多输出(MIMO)系统需要对目标的波达角和波离角进行二维估计,针对高分辨算法中阵列协方差矩阵处理运算量大以及估计性能对阵列流形失配敏感的缺陷,提出了一种基于二阶锥规划的抗阵列流形失配的双基地MIMO虚拟阵列波束优化算法.该方法利用MIMO的波形分集技术与双基地的目标定位解算,通过波达角和波离角在双基地定位椭圆上的对应关系,将双基地MIMO的二维合成方向矢量转化为一维的虚拟阵列流形,并证明了双基地MIMO虚拟阵列的波束图等效为发射波束图在接收阵角度域上的响应和接收波束图的合成.在优化波束图旁瓣的同时,该算法兼顾了固定方向上的相干干扰抑制,并提高了双基地MIMO虚拟阵列波束优化抗阵列流形失配的能力.通过波束图和方位谱优化的仿真分析和水池试验,验证了算法的有效性.     

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.     

交叉验证多路径匹配追踪水声矢量阵稀疏方位估计

水下运动目标的高分辨DOA估计和目标的左右舷分辨问题一直是水声阵列信号处理中的一个核心问题。矢量阵相比于声压阵具有天然的左右舷分辨能力和更高的处理增益,近年来得到了广泛关注。Capon等一些传统高分辨处理方法存在不能解相干源、需要多快拍处理以及对阵列流行误差敏感等多种问题。针对水声阵列信号处理领域面临的以上问题,利用声呐工作场景中空间目标的稀疏性,本文提出了一种基于交叉验证技术的多路径匹配追踪（Multiplepath Matching Pursuit with Cross Validation,CV-MMP）声矢量阵稀疏DOA估计算法。该算法采用交叉验证技术可以在未知场景中目标个数的条件下实现稀疏DOA的估计,相比于常规的声矢量阵Capon算法而言,可以在小快拍数甚至单快拍数条件下实现多目标的稀疏DOA估计以及高分辨能力。仿真和海试试验数据处理验证了提出的算法的有效性。      

基于长电偶极子和大磁圆环的新型电磁矢量传感器双基地多输入多输出雷达角度和极化参数联合估计

针对常规双基地电磁矢量传感器多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)雷达中短电偶极子(L/λ<0.1)和小磁环(2π(R/λ)<0.1)辐射效率不足问题,本文根据实际应用中电磁矢量传感器的有效长度来设计新型的发射电磁矢量传感器阵列和接收电磁矢量传感器阵列.首先,通过平行因子算法来实现对双基地MIMO雷达阵列接收数据空时特性的充分利用.这种处理过程能够实现发射俯仰角和接收俯仰角的自动参数配对.然后,针对归一化坡印亭矢量估计器在长电偶极子和大磁圆环约束下无法实现角度和极化参数有效测量的问题,对于利用平行因子算法得到的发射和接收加载矩阵采用新的盲估计算法来实现对角度参数和极化参数的高精度估计.所提出的盲估计算法在不需要电偶极子长度和磁环周长的先验信息的情况下能够有效地实现发射四维参数和接收四维参数的精确估计,且该算法估计得到的八维参数满足自动参数配对特性.最后,详细推导了长电偶极子和大磁圆环约束下双基地MIMO雷达中角度和极化参数估计性能的克拉美罗界.仿真实验表明,对于实际中长电偶极子和大磁圆环组成的新型电磁矢量传感器,本文所提算法具有良好的参数估计性能.通过理论分析和仿真实验结果可以发现,本文的研究工作能够进一步促进电磁矢量传感器在双基地MIMO雷达中的应用.     

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。     

强干扰下空间抗混叠宽带波达方位估计

提出了基于改进频率差分(FD)技术的空间抗混叠波达方位(DOA)估计方法,实现了阵元稀疏排布,即在阵元间距远大于入射信号波长时,存在栅瓣模糊情况下多水下声学目标的方位估计。首先,确定目标方位角度搜索范围,建立阵列信号处理模型,对宽带信号不同频率成分之间进行频率差分处理,从而降低信号频率以满足阵元稀疏排布阵列的空间奈奎斯特采样要求。然后,基于投影子空间正交性检验(TOPS)算法构建一个对角变换矩阵,利用对角酉变换矩阵正交性直接对阵列流形进行频率差分处理,使其频率差分处理输出的信号个数与输入信号个数相等。最后,进一步推导频率差分域等效目标方位与真实入射信号角度等价的条件,并基于该等价条件进行频率筛选,最终获得无模糊的空间方位谱结果。经仿真实验验证,所提算法在信噪比为-10～20 dB范围内,估计结果均方根误差低于0.1°,有效抑制了栅瓣且受干扰强度影响较小。经海试数据验证,所提算法可以有效估计出目标方位,并避免空间混叠项干扰。所提空间抗混叠波达方位估计方法能够有效抑制栅瓣模糊,提高目标方位估计精度,且在强干扰条件下仍具有较好的角度估计性能。     

冲击噪声下基于相关熵的二维ESPRIT算法

针对基于相关函数的波达方向(Direction of Arrival, DOA)估计方法在冲击噪声环境下性能下降明显甚至失效的问题,提出基于相关熵 (Correntropy)的二维ESPRIT算法。该方法利用相关熵在冲击噪声环境下具有鲁棒性的优点,将受干扰信号的自相关函数替换为相关熵函数,并结合二维ESPRIT算法实现在冲击噪声环境下进行二维DOA估计。仿真表明,与基于分数低阶统计(Fractional Lower Order Statistics, FLOS)算法相比,该算法呈现明显优势,特别在高的冲击噪声条件下 能对信源方向进行更加有效的估计,且均方误差值仍保持很低。     

虚拟阵列Khatri-Rao积与子空间联合稀疏表示的DOA估计方法

利用目标信号在空域分布的稀疏性,该文提出了一种基于虚拟阵列Khatri-Rao(KR)积与信号子空间联合稀疏表示的单快拍DOA估计方法;该方法利用单次快拍的采样数据,构造出双向虚拟阵列数据,并对虚拟阵列数据的协方差矩阵进行KR积变换处理,然后对向量化后的数据进行顺序重构,利用重构矩阵的大奇异值对应的左奇异向量为估计信号子空间;最后,利用凸优化工具箱对稀疏模型进行二阶凸规划的优化求解,得到高精度的DOA估计值;仿真实验验证了算法的有效性,在低信噪比下比传统MUSIC和OMP算法具有更高的估计精度。     

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。     

Efficient tensor decomposition method for noncircular source in colocated coprime MIMO radar

An effective method via tensor decomposition is proposed to deal with the joint direction-of-departure(DOD) and direction-of-arrival(DOA) estimation of noncircular sources in colocated coprime MIMO radar. By decomposing the transmitter and receiver into two sparse subarrays, noncircular property of source can be used to construct new extended received signal model for two sparse subarrays. The new received model can double the virtual array aperture due to the elliptic covariance of imping sources is nonzero. To further exploit the multidimensional structure of the noncircular received model, we stack the subarray output and its conjugation according to mode-1 unfolding and mode-2 unfolding of a third-order tensor, respectively. Thus, the corresponding extended tensor model consisted of noncircular information for DOA and DOD can be obtained. Then, the higher-order singular value decomposition technique is utilized to estimate the accurate signal subspace and angular parameter can be automatically paired via the rotational invariance relationship.Specifically, the ambiguous angle can be eliminated and the true targets can be achieved with the aid of the coprime property.Furthermore, a closed-form expression for the deterministic CRB under the NC sources scenario is also derived. Simulation results verify the superiority of the proposed estimator.     

Direction-of-arrival estimation for extensible acoustic vector sensor array

Aiming at high-resolution estimation of the direction-of-arrival of closely-spaced sources at low signal-to-noise ratio regions, this paper proposes a DOA estimation algorithm that is suitable for an extensible acoustic vector sensor array. Taking the 3D array composed of the minimum number(four) of acoustic vector sensors as the acquisition module, a virtual array having the same structure as the original array structure is extended in the three-dimensional space based on the aperture expansion characteristic of higher-order cumulants. The virtual array and the real array can construct a matrix with rotational invariance, which contains the angular information for estimating DOA. The Cramer-Rao bound of the algorithm are derived. We analyze the influence of SNR, the number of snapshots and the elevation angle on the performance of the algorithm. Simulation results show that the proposed algorithm has better noise suppression ability and higher resolution in DOA estimation than the conventional ESPRIT algorithm using the acoustic vector array. Experiments are conducted to validate the proposed algorithm.     

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。      

低复杂度的MIMO声呐协方差矩阵重构方法*

多输入多输出声纳在对目标进行测向时会产生复杂的运算量,从而降低算法的测向效率。针对这一问题,提出了一种基于降维变换方法的低复杂度协方差矩阵重构方法。该方法能够抑制噪声,提高目标侧向性能。首先利用降维变换方法对接收信号进行波束形成,获得低维度的协方差矩阵,再对矩阵进行Toeplitz处理,抑制矩阵的相干性。所得到的新的协方差矩阵,通过特征分解获得噪声子空间和信号子空间,利用MUSIC方法进行测向。为了进一步降低运算复杂度,利用阵型所满足的旋转不变性,可以采用ESPRIT算法对目标进行波达方向估计。理论分析和实验结果表明,该方法有效降低了运算复杂度,提高了算法的测向性能。在有限快拍数的情况下,与传统测向方法相比,具有运算速度快,目标分辨力强的特点。     

基于数据协方差矩阵重构的MIMO声纳DOA估计

实际多输入多输出(MIMO)声纳系统由于环境或人为因素,可能出现部分阵元失效,从而导致阵列自由度减少、方位估计精度下降。本文提出了一种数据协方差矩阵重构方法,该方法基于差分阵列性质,利用正常工作阵元的协方差矩阵元素来恢复失效阵元的矩阵元素,获得满秩的数据协方差矩阵,从而恢复到全阵元MIMO声纳的阵列自由度。与已有方法相比,降低了计算复杂度。仿真及海试实验数据处理结果表明,本文所提的数据协方差矩阵重构方法能够恢复因部分阵元失效而丢失的阵列自由度,应用于方位估计中,所能分辨的最大目标数与全阵元相同。     

宽带双曲调频信号参数化时频分析波达方向估计

针对有源探测或脉冲侦查中双曲调频信号的波达方向估计问题,提出了基于参数化时频变换(PTFT)的多重信号分类(MUSIC)测向算法,简称PTFT-MUSIC算法。该算法由发射信号确定针对双曲调频信号的参数化变换核,对接收信号进行频域参数化时频变换,利用获得的时频分布建立阵列信号时频分布模型,并以此模型设计基于时频分布矩阵的MUSIC算法以实现双曲调频信号的波达方向估计。通过仿真和实验对该算法的估计误差和多目标分辨性能进行了分析,仿真和海上实验结果表明:相比现有的时频MUSIC算法,PTFT-MUSIC算法能有效提高空间谱分辨率和波达方向估计性能,同时该算法拥有对特定调频信号筛选性,结合时频域滤波算法能有效抑制相干直达波干扰,应用于多基地声呐系统时有效提高了声呐定位性能。     

单基地多输入多输出声呐的方位分辨力

为了研究波形分集和发射子阵对多输入多输出(multiple-input multiple-output:MIMO)声呐方位分辨力的影响,建立了同时适用于MIMO声呐和传统有源声呐的远场和近场波束图推导模型,证明了这两种声呐具有相同的方位分辨力。首先,将MIMO声呐发射阵划分为子阵无重合与子阵有重合两种情况,并对传统有源声呐的发射阵也进行相同的划分。据此,推导出两者的远场和近场阵列流型向量均可表示为发射与接收阵列流型向量的直积。接着,利用阵列流型向量的一致性证明了波束图(远场和近场)的一致性。进一步地,证明了发射子阵有重合的情况等效于对发射阵列进行幅度加权(发射阵列中间部分的阵元权值大于两端部分的阵元权值),其可获得更低的波束图旁瓣级但不能提高方位分辨力。理论分析与仿真结果表明:MIMO声呐的有效孔径等于发射与接收联合孔径,其方位分辨力由发射与接收阵列结构所决定,波形分集和发射子阵并未带来更高的方位分辨力。