基于原子范数的波达方向与时延联合估计方法

作     者：徐明 唐倩 

作者机构：上海海事大学信息工程学院 同济大学电子与信息工程学院 

出 版 物：《通信学报》 (Journal on Communications)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：082403[工学-水声工程] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0802[工学-机械工程] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(No.62172269) 

主　　题：原子范数 波达方向 时延 多径多普勒效应 

摘      要：为了解决水声通信环境下自主式水下机器人定位难的问题，提出了一种基于原子范数的波达方向（DOA）与时延联合估计方法。首先，基于水声多径多普勒效应的特点建立信道冲激响应公式，将接收信号用矩阵形式表示并对参数进行归一化处理。然后，针对水听器阵列的几何结构和多普勒效应带来的相位误差建立一个新的原子集合，考虑到水声信号在空间域的稀疏性，利用原子范数最小化求解相应的原子。最后，针对由任意线阵带来半正定矩阵中的子矩阵为非Toeplitz矩阵结构而无法进行Vandermonde分解的问题，定义了一个有关水听器几何结构的Hermitian集合，利用长椭球波函数进行半正定规划求解，获得DOA和时延的联合估计。实验结果表明，所提方法在信噪比为20 dB时，DOA估计的均方根误差低至0.2°，在DOA间隔低至3°时仍有77.98%的估计成功概率，估计时延与实际时延的误差可以达到微秒级。