本技術(shù)涉及水下聲納信號處理領(lǐng)域，尤其涉及一種水聲目標(biāo)方位角估計(jì)方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、基于聲波的水下目標(biāo)檢測是環(huán)境感知、海洋監(jiān)測、情報(bào)收集等海洋應(yīng)用領(lǐng)域的重要手段，被動聲納通過觀測周圍環(huán)境中的聲學(xué)輻射噪聲來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)方位角（doa）的估計(jì)。然而，隨著聲隱降噪技術(shù)的發(fā)展，許多關(guān)鍵目標(biāo)的輻射噪聲水平相對較低。海洋中存在的船只、主動探測信號、通信信號等強(qiáng)干擾也對弱目標(biāo)方位角估計(jì)精度造成了嚴(yán)重影響，甚至可能導(dǎo)致弱目標(biāo)無法被發(fā)現(xiàn)。因此，在強(qiáng)干擾環(huán)境中進(jìn)行方位角估計(jì)是一個具有挑戰(zhàn)性的難題。

2、強(qiáng)干擾環(huán)境中的方位角估計(jì)方法大致可分為兩類。第一類基于波束成形技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)高增益、低旁瓣和可控波束寬度（指向性），以抑制強(qiáng)干擾源的影響。典型示例包括最小方差無失真響應(yīng)（mvdr）方法和基于特征分析的自適應(yīng)干擾抑制（eaais）方法。然而，波束成形方法需要充足的快拍數(shù)來實(shí)現(xiàn)高分辨率。

3、第二類方法基于數(shù)據(jù)的線性表示模型，利用優(yōu)化技術(shù)恢復(fù)所有方向上的信號能量，從而實(shí)現(xiàn)方位角估計(jì)。典型算法包括基于最大熵準(zhǔn)則的單頻譜分離（spsf）方法、最小二乘法多波束分辨（mbm-sr）、以及基于波束能量輸出（bpo）的稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)（sbl）方法（sbl-bpo）。在這些方法中，以sbl-bpo為代表的基于波束能量的方法在波束輸出域，而不是原始接收數(shù)據(jù)域，建立優(yōu)化模型。由于波束成形器能夠有效抑制強(qiáng)干擾，且波束能量輸出的維度顯著低于原始數(shù)據(jù)維度，因此基于波束能量的方法同時具有干擾抑制和高計(jì)算效率的優(yōu)勢。然而，現(xiàn)有方法需已知強(qiáng)干擾/目標(biāo)的方位扇區(qū)來構(gòu)建優(yōu)化模型或波束成形矩陣，而該扇區(qū)在實(shí)際應(yīng)用中難以提前預(yù)知。此外，基于最大熵準(zhǔn)則的單頻譜分離（spsf）和最小二乘法多波束分辨（mbm-sr）方法由于需要求解凸優(yōu)化問題，因而具有較大的計(jì)算復(fù)雜度，難以在計(jì)算資源有限的水下處理平臺上應(yīng)用。

4、此外，部分高分辨方位角估計(jì)方法在強(qiáng)干擾環(huán)境中也具有很高的估計(jì)精度。例如，稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)方法（sbl）即使在較低信噪比下也可實(shí)現(xiàn)弱信號檢測與方位角估計(jì)，但需要執(zhí)行較多次迭代，每次迭代均需計(jì)算矩陣求逆，復(fù)雜度較大。

5、由于實(shí)際任務(wù)中，目標(biāo)與強(qiáng)干擾扇區(qū)均難以事先獲得，而上述對抗強(qiáng)干擾的方法均要求以目標(biāo)扇區(qū)先驗(yàn)作為輸入，難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。此外，水下平臺受體積和供能限制，通常計(jì)算資源有限，上述高復(fù)雜度算法難以部署。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。

2、為此，本技術(shù)的第一個目的在于提出一種水聲目標(biāo)方位角估計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)在目標(biāo)扇區(qū)未知與強(qiáng)干擾條件下的快速水聲目標(biāo)方位角估計(jì)。

3、本技術(shù)的第二個目的在于提出一種水聲目標(biāo)方位角估計(jì)裝置。

4、本技術(shù)的第三個目的在于提出一種電子設(shè)備。

5、本技術(shù)的第四個目的在于提出一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)。

6、為達(dá)上述目的，本技術(shù)第一方面實(shí)施例提出了一種水聲目標(biāo)方位角估計(jì)方法，包括：

7、對于每個頻段的接收信號矩陣，將全方位劃分為多個網(wǎng)格，初始化信號能量分布參數(shù)和環(huán)境噪聲能量；

8、通過最小化信號矩陣與波束成形數(shù)據(jù)之間的期望平方誤差，更新波束成形矩陣和環(huán)境噪聲能量，并采用不動點(diǎn)迭代法更新所述信號能量分布參數(shù)；

9、重復(fù)所述信號能量分布參數(shù)的更新過程，直至信號能量分布參數(shù)的迭代收斂或達(dá)到最大迭代次數(shù)，停止迭代過程，得到各頻段的目標(biāo)信號能量分布估計(jì)；

10、將各頻段的目標(biāo)信號能量分布估計(jì)融合，得到最終的輸出能量。

11、可選的，還包括：

12、獲取接收信號；

13、對所述接收信號進(jìn)行傅里葉變換，得到第個頻段的接收信號矩陣，其中表示水聽器陣列的陣元數(shù)，表示每個數(shù)據(jù)幀的快拍數(shù)。

14、可選的，將全方位劃分為個網(wǎng)格，記為信號能量分布參數(shù)，其第個元素表示第個網(wǎng)格方向的信號能量，若無信號則為0，記為環(huán)境噪聲能量；

15、將初始化為，將初始化為接收信號矩陣的方差，表達(dá)式為：

16、

17、

18、其中，表示提取對角元素，表示求方差，上標(biāo)表示共軛轉(zhuǎn)置。

19、可選的，所述通過最小化信號矩陣與波束成形數(shù)據(jù)之間的期望平方誤差，更新波束成形矩陣和環(huán)境噪聲能量，包括：

20、記第個頻段的波束成形矩陣為，基于波束成形矩陣更新的原則為最小化信號矩陣與波束成形數(shù)據(jù)之間的期望平方誤差，對優(yōu)化問題進(jìn)行表述，表達(dá)式為：

21、

22、其中，表示求期望平方誤差；

23、對于傳統(tǒng)接收信號模型，假設(shè)信號服從均值為0，協(xié)方差為的復(fù)高斯分布，噪聲服從均值為0，協(xié)方差為的復(fù)高斯分布，計(jì)算所述優(yōu)化問題的最優(yōu)解，表達(dá)式為：

24、

25、將和用其當(dāng)前估計(jì)值和代替，得到波束成形矩陣的更新公式為：

26、

27、其中，當(dāng)，更新，否則不更新，為上一次更新時的估計(jì)值，上標(biāo)表示迭代次數(shù)，為第一閾值；

28、當(dāng)波束成形矩陣被更新時，通過計(jì)算后驗(yàn)期望實(shí)現(xiàn)環(huán)境噪聲能量的更新，表達(dá)式為：

29、

30、其中，，表示矩陣的跡。

31、可選的，所述采用不動點(diǎn)迭代法更新所述信號能量分布參數(shù)，包括：

32、

33、其中

34、

35、

36、

37、其中，表示兩矩陣按元素相乘，表示矩陣的共軛。

38、可選的，所述重復(fù)所述信號能量分布參數(shù)的更新過程，直至信號能量分布參數(shù)的迭代收斂或達(dá)到最大迭代次數(shù)，停止迭代過程，得到各頻段的目標(biāo)信號能量分布估計(jì)，包括：

39、當(dāng)或者達(dá)到最大迭代次數(shù)時停止迭代，得到各頻段的目標(biāo)信號能量分布估計(jì)，其中，表示的第個元素，為第二閾值。

40、可選的，所述將各頻段的目標(biāo)信號能量分布估計(jì)融合，得到最終的輸出能量，包括：

41、。

42、其中，為最終的輸出能量，為頻段的總數(shù)。

43、為達(dá)上述目的，本技術(shù)第二方面實(shí)施例提出了一種水聲目標(biāo)方位角估計(jì)裝置，包括：

44、初始化模塊，對于每個頻段的接收信號矩陣，用于將全方位劃分為多個網(wǎng)格，初始化信號能量分布參數(shù)和環(huán)境噪聲能量；

45、迭代更新模塊，用于通過最小化信號矩陣與波束成形數(shù)據(jù)之間的期望平方誤差，更新波束成形矩陣和環(huán)境噪聲能量，并采用不動點(diǎn)迭代法更新所述信號能量分布參數(shù)；

46、迭代輸出模塊，用于重復(fù)所述信號能量分布參數(shù)的更新過程，直至信號能量分布參數(shù)的迭代收斂或達(dá)到最大迭代次數(shù)，停止迭代過程，得到各頻段的目標(biāo)信號能量分布估計(jì)；

47、融合模塊，用于將各頻段的目標(biāo)信號能量分布估計(jì)融合，得到最終的輸出能量。

48、為達(dá)上述目的，本技術(shù)第三方面實(shí)施例提出了一種電子設(shè)備，包括：處理器，以及與所述處理器通信連接的存儲器；

49、所述存儲器存儲計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令；

50、所述處理器執(zhí)行所述存儲器存儲的計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令，以實(shí)現(xiàn)如上述第一方面中任一項(xiàng)所述的方法。

51、為達(dá)上述目的，本技術(shù)第四方面實(shí)施例提出了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)中存儲有計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令，所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令被處理器執(zhí)行時用于實(shí)現(xiàn)如上述第一方面中任一項(xiàng)所述的方法。

52、本技術(shù)的實(shí)施例提供的技術(shù)方案至少帶來以下有益效果：

53、1、計(jì)算復(fù)雜度低，本技術(shù)通過波束成形矩陣和波束能量輸出僅在部分迭代中被更新，具有降低計(jì)算復(fù)雜度的效果。該條件在絕大多數(shù)應(yīng)用場景中被滿足。

54、2、在目標(biāo)扇區(qū)未知場景下實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)干擾抑制。本技術(shù)中的方法不需已知目標(biāo)扇區(qū)，而是根據(jù)當(dāng)前信號能量分布估計(jì)自適應(yīng)更新波束成形矩陣，從而抑制強(qiáng)干擾對弱目標(biāo)方位估計(jì)的影響，在目標(biāo)扇區(qū)未知的低信干噪比條件下提升了弱目標(biāo)方位估計(jì)精度。

55、本技術(shù)附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本技術(shù)的實(shí)踐了解到。