浅海环境下多目标源DOA估计算法研究

作     者：贾晋华 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵宇;黄建尧

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0816[工学-测绘科学与技术] 

主      题：浅海环境 水下噪声 DOA估计 分数阶傅里叶变换 声矢量传感器 非理想增益 稀疏表示 

摘      要：水下目标定位技术是海洋科学研究的重要组成部分,在水下通信、声纳和国家安全等领域都有着广泛的应用前景。基于信号源的到达角（Direction of Arrival,DOA）估计能够实现空间环境中多个目标源的高分辨率方位估计,进而实现目标精确定位。本文主要结合数学分析和仿真实验研究水下目标源的DOA估计算法,并对算法中存在的有关问题进行讨论,主要通过以下几个方面进行实现:针对传统算法在信号源数目多于传感器数目时无法精确测量的缺陷,本文利用分数阶傅立叶变换方法将传感器阵列输出转化到分数阶域中进行处理,对空间中的多个目标源信号分别选取合适的旋转角度,成功实现多目标源的分离。然后利用单矢量传感器的信号输出,并对其进行合理的延时,结合二者利用FrFT-ESPRIT算法分别对多目标源的二维DOA参数值进行估计。此外,本文对水下噪声环境重尾严重的现象进行了描述,并通过仿真建模的方法利用合成圆对称广义高斯分布来模拟水下噪声分布,同时针对在此噪声分布下传感器阵列输出信号的协方差矩阵高阶矩不存在的情况,利用分数低阶矩矩阵的方法进行处理。最后利用MATLAB仿真软件验证参数估计效果的有效性和精确性。由于受到水下环境复杂性的影响,传感器阵列的方向矩阵有可能存在非理想增益值,本文利用最小二乘法对传感器阵列瞬时增益值进行最优化估计,并采用矢量化方法增加阵列输出信号的维数,从而增加可测量信号源的数目,然后将空间信号到达角度进行稀疏化,重构稀疏矩阵,利用稀疏表示的方法估计信号源的DOA参数值,仿真结果显示本方法不仅能够提高参数测量的精确度和检测概率,而且降低了对环境信噪比的要求,这在实际海洋环境测量中是非常有用的。