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专利名称：一种基于柯西-高斯模型的新型高分辨方位估计方法
技术领域：
本发明涉及传感器阵列信号处理领域，主要是一种基于柯西-高斯模型的新型高分辨方位估计方法。
背景技术：
信号方位估计问题一直以来在声纳、雷达和通信等领域引起了广泛的研究兴趣。 常规波束形成通过空间匹配滤波来检测和估计目标方位，但目标方位分辨力取决于基阵波长单位的孔径大小。自适应波束形成[1]和子空间高分辨波达方向(direction of arrival, D0A)估计算法，如MUSIC，能够获取高分辨性能，但需要足够的信噪比条件，并且需要较长的时间平均以提高协方差矩阵估计的精度。信号子空间分解算法需要预估计信号源数，当存在相干源时，需要通过子阵空间平滑来解相干。因而，在基阵孔径受限制的场合和高动态条件下，常规的高分辨处理方法难以有效应用。空域约束优化处 (spatial processing optimized and constrained, SP0C) 是近几年出现的一种新型单快拍高分辨算法，SPOC算法基于MAP准则，通过信号模型的约束，最优估计出在每一时刻，信号源在空间中的稀疏功率分布函数，因而突破了快拍数和相干源的限制。韩国Kam等人将SPOC算法成功应用于海底合成孔径声纳布放目标的方位高
分辨处理。本发明利用波束形成与空域傅里叶变换在数学上的等效性，研究一种迭代非参数化方位谱估计技术。利用柯西(Cauchy)分布来近似空域DFT信号样本，并对信号最小模约束代价函数进行正则化，对正则化代价函数进行优化得到空域高分辨DFT。提出一种次优的、对信号模型参数宽容的方位谱估计器，以提高算法的稳健性。

发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点和不足，提供一种基于柯西-高斯模型的新型高分辨方位估计方法，以满足水下宽带高频三维成像掩埋雷探测声纳对目标方位分辨力的要求。本发明解决其技术问题采用的技术方案这种基于柯西-高斯模型的新型高分辨方位估计方法，包括如下步骤(1)将基阵接收时域信号变换到频域X (k) = [X0(k), ... , Xsh (k) ]τ (1)将第k个频点第η个波束输出信号表示为空域DFT形式
tool ο] Y(n,k)=Yjm^XSkyj2xfkmd^ejc
toon] O揪—'Ν,Ν>Μ(2)N为空域DFT点数，第η个离散空间方位满足θ n = asin {cn/ (Nfkd)} (3)
(2)利用DFT的性质，将空间DFT谱估计表示成线性反演求解形式X (k) = FY (k) (6)其中，F为Rmrier变换矩阵，Y(k)第k个频点的波束输出信号向量；(3)构造正则代价函数J = Σ 二 log (I Y{n, k) I2 )+\\X-FY Il^⑷(4) Y = ( λ Q^+FhF) ^1FhX(H)其中，义/σ#，Q为对角矩阵Q = diag{IN+YYii/a2Y}(12)对式(11)中的调节参数λ取固定的经验值，再按以下方式迭代求解高分辨空间谱1)以Y = DFT {X}作为初始值，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矩阵Q⑴=diag{Y⑴Y⑴H}；3)判断收敛条件I J⑴—J"—1) IzlJ(H)I < ε (6)ε为一个小量，若不满足条件，令i = i+Ι，返回第2)步；若满足条件，则输出当前迭代周期的空间谱Y(i)；(5)输出满足收敛条件的高分辨空间谱到后续的图像显示处理系统。本发明有益的效果是本发明所研究的一种基于柯西-高斯信号模型的高分辨方位估计技术，通过代价函数的约束优化实现了单快拍内的方位高分辨。且本方法对信号概率分布模型参数的宽容性高，因而具有工程实用性。数值仿真和海试数据分析结果说明本发明方法适用于欠快拍条件下的小孔径基阵的目标方位高分辨。类似地，本发明方法可用于舰艇辐射噪声的高分辨线谱估计。


图1为CBF频率-波数谱(无法分辨归一化频率为0. 2处的两个信号)；图2为RCG-SPEC算法频率-波数谱(提高了算法的稳健性，同时保证了高分辨性能)；
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明本发明所述的这种基于柯西-高斯模型的新型高分辨方位估计方法，包括以下步骤步骤一将空间谱估计表示成空域DFT的线性反演求解形式
X (k) = FY (k) (6)其中，X(k)为第k个频点的基阵频域信号向量，F为Fourier变换矩阵，Y(k)第k 个频点的波束输出信号向量。步骤二 基于柯西-高斯信号模型，求空域DFT线性反演的约束优化正则解首先构造代价函数
权利要求
1. 一种基于柯西-高斯模型的新型高分辨方位估计方法，其特征是包括如下步骤(1)将基阵接收时域信号变换到频域 X(k) = D(0(k)，···，ΧηΟΟΓ (ι)将第k个频点第η个波束输出信号表示为空域DFT形式= Ztlx^j2xfimdsiaejc= Σ :1οΧΛ^2πη,"/Ν,Ν>Μ⑵N为空域DFT点数，第η个离散空间方位满足 θ n = asin{cn/(Nfkd)}(3)(2)利用DFT的性质，将空间DFT谱估计表示成线性反演求解形式 X(k) = FY (k)(6)其中，F为Rmrier变换矩阵，Y(k)第k个频点的波束输出信号向量；(3)构造正则代价函数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为对角矩阵+ ITh(12)对式(11)中的调节参数λ取固定的经验值，再按以下方式迭代求解高分辨空间谱1)以Y = DFT{X}作为初始值，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矩阵 Q⑴=diag{Y⑴Y⑴H}；3)判断收敛条件I J⑴ H/I J(H) < ε(6)ε为一个小量，若不满足条件，令i = i+Ι，返回第2)步；若满足条件，则输出当前迭代周期的空间谱Y(i)；(5)输出满足收敛条件的高分辨空间谱到后续的图像显示处理系统。
全文摘要
本发明涉及一种基于柯西-高斯模型的新型高分辨方位估计方法，以满足水下宽带高频三维成像掩埋雷探测声纳对目标方位分辨力的要求。利用柯西-高斯信号模型，将方位谱表示成一个正则化的空域傅里叶变换约束优化问题，提出一种对模型参数宽容的谱估计器，通过寻求源信号在空间中的稀疏分布特征，在单频域快拍内实现高分辨方位谱估计，且无需解相干即可分辨相干源。本发明有益的效果是通过代价函数的约束优化实现了单快拍内的方位高分辨。且本方法对信号概率分布模型参数的宽容性高，因而具有工程实用性。数值仿真和海试数据分析结果说明本发明方法适用于欠快拍条件下的小孔径基阵的目标方位高分辨。
文档编号G01S7/52GK102183755SQ20101061955
公开日2011年9月14日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者从卫华, 朱必波, 蒋飚, 郑乐一 申请人:中国船舶重工集团公司第七一五研究所