專利名稱：一種基于柯西-高斯模型的新型高分辨方位估計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及傳感器陣列信號處理領域，主要是一種基于柯西-高斯模型的新型高分辨方位估計方法。
背景技術：
信號方位估計問題一直以來在聲納、雷達和通信等領域引起了廣泛的研究興趣。 常規(guī)波束形成通過空間匹配濾波來檢測和估計目標方位，但目標方位分辨力取決于基陣波長單位的孔徑大小。自適應波束形成[1]和子空間高分辨波達方向(direction of arrival, D0A)估計算法，如MUSIC，能夠獲取高分辨性能，但需要足夠的信噪比條件，并且需要較長的時間平均以提高協(xié)方差矩陣估計的精度。信號子空間分解算法需要預估計信號源數(shù)，當存在相干源時，需要通過子陣空間平滑來解相干。因而，在基陣孔徑受限制的場合和高動態(tài)條件下，常規(guī)的高分辨處理方法難以有效應用?？沼蚣s束優(yōu)化處 (spatial processing optimized and constrained, SP0C) 是近幾年出現(xiàn)的一種新型單快拍高分辨算法，SPOC算法基于MAP準則，通過信號模型的約束，最優(yōu)估計出在每一時刻，信號源在空間中的稀疏功率分布函數(shù)，因而突破了快拍數(shù)和相干源的限制。韓國Kam等人將SPOC算法成功應用于海底合成孔徑聲納布放目標的方位高
分辨處理。本發(fā)明利用波束形成與空域傅里葉變換在數(shù)學上的等效性，研究一種迭代非參數(shù)化方位譜估計技術。利用柯西(Cauchy)分布來近似空域DFT信號樣本，并對信號最小模約束代價函數(shù)進行正則化，對正則化代價函數(shù)進行優(yōu)化得到空域高分辨DFT。提出一種次優(yōu)的、對信號模型參數(shù)寬容的方位譜估計器，以提高算法的穩(wěn)健性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的缺點和不足，提供一種基于柯西-高斯模型的新型高分辨方位估計方法，以滿足水下寬帶高頻三維成像掩埋雷探測聲納對目標方位分辨力的要求。本發(fā)明解決其技術問題采用的技術方案這種基于柯西-高斯模型的新型高分辨方位估計方法，包括如下步驟(1)將基陣接收時域信號變換到頻域X (k) = [X0(k), ... , Xsh (k) ]τ (1)將第k個頻點第η個波束輸出信號表示為空域DFT形式
tool ο] Y(n,k)=Yjm^XSkyj2xfkmd^ejc
toon] O揪—'Ν,Ν>Μ(2)N為空域DFT點數(shù)，第η個離散空間方位滿足θ n = asin {cn/ (Nfkd)} (3)
(2)利用DFT的性質，將空間DFT譜估計表示成線性反演求解形式X (k) = FY (k) (6)其中，F(xiàn)為Rmrier變換矩陣，Y(k)第k個頻點的波束輸出信號向量；(3)構造正則代價函數(shù)J = Σ 二 log (I Y{n, k) I2 )+\\X-FY Il^⑷(4) Y = ( λ Q^+FhF) ^1FhX(H)其中，義/σ#，Q為對角矩陣Q = diag{IN+YYii/a2Y}(12)對式(11)中的調節(jié)參數(shù)λ取固定的經驗值，再按以下方式迭代求解高分辨空間譜1)以Y = DFT {X}作為初始值，并代入式(17)得到Q(°)；0 = diag{ITH}(17)2)第i次迭代，有Y⑴=Q(B)Fh ( λ IJFQ(H)Fh) ^1X (5)利用上式更新Q矩陣Q⑴=diag{Y⑴Y⑴H}；3)判斷收斂條件I J⑴—J"—1) IzlJ(H)I < ε (6)ε為一個小量，若不滿足條件，令i = i+Ι，返回第2)步；若滿足條件，則輸出當前迭代周期的空間譜Y(i)；(5)輸出滿足收斂條件的高分辨空間譜到后續(xù)的圖像顯示處理系統(tǒng)。本發(fā)明有益的效果是本發(fā)明所研究的一種基于柯西-高斯信號模型的高分辨方位估計技術，通過代價函數(shù)的約束優(yōu)化實現(xiàn)了單快拍內的方位高分辨。且本方法對信號概率分布模型參數(shù)的寬容性高，因而具有工程實用性。數(shù)值仿真和海試數(shù)據(jù)分析結果說明本發(fā)明方法適用于欠快拍條件下的小孔徑基陣的目標方位高分辨。類似地，本發(fā)明方法可用于艦艇輻射噪聲的高分辨線譜估計。


圖1為CBF頻率-波數(shù)譜(無法分辨歸一化頻率為0. 2處的兩個信號)；圖2為RCG-SPEC算法頻率-波數(shù)譜(提高了算法的穩(wěn)健性，同時保證了高分辨性能)；
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明本發(fā)明所述的這種基于柯西-高斯模型的新型高分辨方位估計方法，包括以下步驟步驟一將空間譜估計表示成空域DFT的線性反演求解形式
X (k) = FY (k) (6)其中，X(k)為第k個頻點的基陣頻域信號向量，F(xiàn)為Fourier變換矩陣，Y(k)第k 個頻點的波束輸出信號向量。步驟二 基于柯西-高斯信號模型，求空域DFT線性反演的約束優(yōu)化正則解首先構造代價函數(shù)
權利要求
1. 一種基于柯西-高斯模型的新型高分辨方位估計方法，其特征是包括如下步驟(1)將基陣接收時域信號變換到頻域 X(k) = D(0(k)，···，ΧηΟΟΓ (ι)將第k個頻點第η個波束輸出信號表示為空域DFT形式= Ztlx^j2xfimdsiaejc= Σ :1οΧΛ^2πη,"/Ν,Ν>Μ⑵N為空域DFT點數(shù)，第η個離散空間方位滿足 θ n = asin{cn/(Nfkd)}(3)(2)利用DFT的性質，將空間DFT譜估計表示成線性反演求解形式 X(k) = FY (k)(6)其中，F(xiàn)為Rmrier變換矩陣，Y(k)第k個頻點的波束輸出信號向量；(3)構造正則代價函數(shù)J 二 Σ二 l0§ (I nn, A) I2 )+11 X-FF Il^⑷(4)Y = (AQ^FHF)-1FHX(11) 其中，；l = 4/W，Q為對角矩陣+ ITh(12)對式(11)中的調節(jié)參數(shù)λ取固定的經驗值，再按以下方式迭代求解高分辨空間譜1)以Y = DFT{X}作為初始值，并代入式(17)得到Q ； e = diag{ITH}(17)2)第i次迭代，有Y⑴=Q(H)Fb(λ I^FQ(H)Fh)(5) 利用上式更新Q矩陣 Q⑴=diag{Y⑴Y⑴H}；3)判斷收斂條件I J⑴ H/I J(H) < ε(6)ε為一個小量，若不滿足條件，令i = i+Ι，返回第2)步；若滿足條件，則輸出當前迭代周期的空間譜Y(i)；(5)輸出滿足收斂條件的高分辨空間譜到后續(xù)的圖像顯示處理系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于柯西-高斯模型的新型高分辨方位估計方法，以滿足水下寬帶高頻三維成像掩埋雷探測聲納對目標方位分辨力的要求。利用柯西-高斯信號模型，將方位譜表示成一個正則化的空域傅里葉變換約束優(yōu)化問題，提出一種對模型參數(shù)寬容的譜估計器，通過尋求源信號在空間中的稀疏分布特征，在單頻域快拍內實現(xiàn)高分辨方位譜估計，且無需解相干即可分辨相干源。本發(fā)明有益的效果是通過代價函數(shù)的約束優(yōu)化實現(xiàn)了單快拍內的方位高分辨。且本方法對信號概率分布模型參數(shù)的寬容性高，因而具有工程實用性。數(shù)值仿真和海試數(shù)據(jù)分析結果說明本發(fā)明方法適用于欠快拍條件下的小孔徑基陣的目標方位高分辨。
文檔編號G01S7/52GK102183755SQ20101061955
公開日2011年9月14日 申請日期2010年12月22日 優(yōu)先權日2010年12月22日
發(fā)明者從衛(wèi)華, 朱必波, 蔣飚, 鄭樂一 申請人:中國船舶重工集團公司第七一五研究所