一种规整化最小二乘子空间相交的目标方位测向方法
【专利摘要】本发明涉及一种规整化最小二乘子空间相交的目标方位测向方法，该方法将吉洪诺夫规整化方法与最小二乘子空间相交的算法结合起来，处理浅海声纳装置的接收信号，在利用子空间相交的原理构造成最小二乘问题的基础上，再通过规整化方法确定最优的规整化因子，最终，实现对浅海目标的检测和精确定位。本发明将Tikhonov规整化方法与最小二乘子空间相交的算法结合起来，形成新的测向算法，该方法比常规波束形成算法具有更高的方位分辨力和准确度，并且数值计算稳定。
【专利说明】一种规整化最小二乘子空间相交的目标方位测向方法
【技术领域】
[0001]本发明属于声纳数字信号处理领域，特别涉及一种适用于浅海环境中的规整化最小二乘子空间相交测向方法。
【背景技术】
[0002]在浅海环境中，声传播受海洋波导界面的影响显著，特别是海底的影响，在这种情况下，传统的以平面波模型为基础的目标方位估计算法已不再适用，简正波模型可以更准确地描述声场，根据简正波理论，声源在海洋波导中会激发出若干号简正波，阵列的各阵元接收到的信号是各号简正波迭加的结果，各号简正波的相速度是不同的，特别是对于低频信号，相速度的差别尤为明显，这种差别在时域上反映为多途效应，采用平面波假设必然会带来目标方位估计偏差。匹配场处理(MFP)测向方法对声场用简正波模型表示，消除了测向算法中多途效应的影响，与常规平面波波束形成法相比，有明显的优点。
[0003]MFP测向的思想出现较早，因巨大的建模和信号处理计算量，未能在工程中使用。早在上世纪90年代，为了减小浅海低频测向的误差，就有人研究了相干特性对大尺度阵列的匹配场测向的性能影响，如文献 1“P.S.Naidu, “On subspace method for source localization, ”JASA，90 (5)，1991:2489-2491”;后来子空间的思想被用于匹配测向，如文献2“J.V.Candy, “Ocean acoustic signal processing:a model-based approach，，，JASA, 1992，，；同一频率的声波，各模态相速度不同，参考声速的选取不当导致阵列在端射附近出现明显的测向误差，文献3“宫在晓，林京，郭良浩，“浅海声传播相速度对测向精度的影响”，声学学报，27 (6)，2002:492-496”提出用声场匹配的方法做测向，同时指出匹配场测向方法需要知道海洋环境参数，而且需要对三维空间进行极大值搜索，计算量很大，计算量和环境失配是要面临的问题。
[0004]为解决MFP测向计算量大的问题，文献4 “S.Lakshmipathi, andG.V.Anand, “Subspace intersection method of high-resolution bearing estimationin shallow ocean”，Signal Processing, 84，2004:1367-1384” 提出了 一种子空间相交(Subspace intersection, SI)的算法,在已知各号简正波的波数的情况下,只需要对角度进行搜索，可以以较小的计算量实现匹配测向，较好地解决了建模计算量的问题。SI算法使用QR分解，在要分解的矩阵条件数很大时，数值计算不稳定；文献5 “张爱民，基于子空间的目标方位估计的若干问题研究，中科院声学所博士学位论文”将子空间相交问题描述为最小二乘问题，提出了最小二乘SI的算法，并提出了总体最小二乘的算法，使算法在存在系数的扰动时稳健性能提高。
[0005]然而，正如所有的最小二乘问题一样，上述最小二乘SI算法中的方程的求解面临着病态问题，通常情况下，不同号数简正波的波数相差很小，在有限阵长条件下，很难满足在每个扫描向量线性无关的条件，矩阵的条件数很大，即该最小二乘问题的方程是病态的，数值计算的稳定性很差。
[0006]总体而言，最小二乘SI算法比传统波束形成算法具有无可比拟的性能优势，但数值计算稳定性差，测向精度低，可行性不高。实际应用中需要一种能够在模型参数扰动的情形下依然可用的处理方法。
【发明内容】
[0007]本发明目的在于，为克服现有最小二乘SI测向方法的病态问题，提出了一种规整化最小二乘子空间相交测向方法，从而使在浅海环境中的测向精度和数值计算稳定度大大提闻。
[0008]为实现上述发明目的，本发明的规整化最小二乘子空间相交的测向方法，该方法将吉洪诺夫(Tikhonov)规整化方法与最小二乘子空间相交的算法结合起来,形成新的测向算法，其中 Tikhonov 规整化方法在文献 6“Chne.H.Golub, et al.Tikhnov regularizationand totle least square”中有详细论述。该方法比常规波束形成算法具有更高的方位分辨力和准确度，并且数值计算稳定。
[0009]本发明的一种规整化最小二乘子空间相交的目标方位测向方法，该方法将吉洪诺夫规整化方法与最小二乘子空间相交的算法结合起来，处理浅海声纳装置的接收信号，在利用子空间相交的原理构造成最小二乘问题的基础上，再通过规整化方法确定最优的规整化因子，最终，实现对浅海目标的检测和精确定位。
[0010]所述的浅海声纳装置由多个水听器组成，是一条海底直线阵或是拖曳阵。
[0011 ] 该方法的步骤具体包括:
[0012]I)所述的浅海声纳装置由多个水听器组成，数目为N，阵元间距为d，目标入射方向Θ，快拍长度为L ;用线阵接收空间信号，得到N个阵元的时域信号x(t)；
[0013]2)对L个时域快拍的数 据进行快速傅里叶变换:
[0014]XKm(t) Xk>m{fi)
[0015]3)根据傅里叶变换后的快拍数据估计阵列协方差矩阵R:
[0016]R=E [XXs]
[0017]上式中，X是阵列接收数据矩阵，其中元素为步骤2)中的Xtm (fj，H表示共轭转置，E表示对不同的快拍求统计平均；
[0018]4)对阵列协方差矩阵R进行特征值分解:
[0019]R=U Σ U
[0020]式中，U为特征矢量矩阵；
[0021]其中，由特征值组成的对角阵Σ为:
[0022]
【权利要求】
1.一种规整化最小二乘子空间相交的目标方位测向方法，该方法将吉洪诺夫规整化方法与最小二乘子空间相交的算法结合起来，处理浅海声纳装置的接收信号，在利用子空间相交的原理构造成最小二乘问题的基础上，再通过规整化方法确定最优的规整化因子，最终，实现对浅海目标的检测和精确定位。
2.根据权利要求1所述的规整化最小二乘子空间相交的目标方位测向方法，其特征在于，所述的浅海声纳装置由多个水听器组成，是一条海底直线阵或是拖曳阵。
3.根据权利要求1或2所述的规整化最小二乘子空间相交的目标方位测向方法，其特征在于，该方法的步骤包括: 1)所述的浅海声纳装置由多个水听器组成，数目为N，阵元间距为d，目标入射方向Θ，快拍长度为L ;用线阵接收空间信号，得到N个阵元的时域信号x(t)； 2)对L个时域快拍的数据进行快速傅里叶变换:
【文档编号】G01S7/52GK103513238SQ201210202013
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年6月15日 优先权日:2012年6月15日
【发明者】巩玉振 申请人:中国科学院声学研究所