基于单矢量水听器的Capon空间谱估计-论文.pdf

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1、可靠传输ReliableTransmission2基于单矢量水听器的Capon~问谱估计袁永琼，张锴(中国电子科技集团公司第二十研究所电子信息网络实验室，陕西西安710068)摘要：针对复杂海洋环境下的目标方位估计问题，提出了一种基于单矢量水听器数据协方差矩阵的Capon谱估计算法。仿真分析了该算法对窄带信号和宽带信号的方位估计性能。仿真结果表明，在高信噪比下，该算法可以得到目标方位的无偏估计。湖试数据处理结果进一步验证了所提出算法的有效性。关键词：单矢量水听器；Capon谱估计：数据协方差；无偏估计中图分类号：TB566文献标识码：A文章编号：2095．1302

2、(2015)05—0029—030引言㈤在海洋信道中，声场的声压和振速是同相位的，这是声压振速信息联合处理的物理基础川。传统的单矢量水听器方则阵列数据的协方差为：位估计一般基于声能流的最大似然估计，该技术现已在工程E[Xa](4)上被广泛应用。同时，也涌现了很多基于单矢量水听器方位估则上面的准则可以表示为满足式5)的条件时波束输出功率：见计的新方法和新理论[21，何希盈提出了一种基于MCDR的单式(6)所示)最小。矢量水听器方位估计方法，并推导了该种算法的信噪比分辨lI(O)a(O)Wll=1(5)门限口】，王伟提出卜种基于ESPRIT的单矢量水听器方位估P()=

3、詹，()(6)计方法，实现了对两个单色信号的多目标分辨等。文献[5]该最优化问题可采用拉格朗日法求解，代价函数构造为：将MUSIC算法用于单矢量水听器方位估讹提高了单个矢量H(c)=()+A[1一口()](7)水听器的高分辨方位估计性能。考虑到海洋信道的复杂条件，式中：为一常数。针对文献[3]提出的基于二维单矢量水听器的MVDR估计器，将上式对求微分使其为零，注意到条件式(3)，得到本文从仿真上分析了该估计器的方位估计性能，并给出了该算MVDR的最佳权为：法对湖试数据的处理结果。眠=舞1Capon谱估计原理Capon提出了一种最小方差无失真响应波束形成器，即则MV

4、DR输出的角度谱为：MVDR(MinimumVarianceDistortionlessResponse)波束形尸()‘9)成器，其准则是在保持观测方向信号功率不变的情况下，使噪声以及来自非信号方向的任何干扰所贡献的功率为最小，因此2单矢量水听器的Capon空间谱估计Capon波束形成器可以看成是一个尖锐的空间带通滤波器。本论文只考虑二维问题，测量方程可表示为：理想情况下，Ⅳ个窄带远场信号入射至空间元阵列上，fP=x(t){=(t)COS0．(10)阵列接收的窄带远场信号DOA模型为：【=(t)sin0(f)-．4()s(f)十Ⅳ()(1)式中：P表示矢量水听器输

5、出同点的声压，，表示正交的二其中：x(f)是MX1维快拍数据矢量，A()是MXN维流型维振速，(f)是水听器接收的声压波形，0(一Ⅱ0

6、sionlCOSI口()：I【sin0l(12)l奎菩1J式(12)中，矢量水听器两个振速通道输出第一和第-+分量，咯婶母I堆争争⋯rrr⋯rr⋯r⋯rrr⋯rrI是声压信号在轴，y轴方向上的投影，矢量水听器声压通道输出最后一个分量。则单矢量水听器的数据协方差矩阵置便一6O可以表示为如式(3)的形式。．：’’’1；奎蓍谪。现在，我们可以根据式(8)写出单矢量水听器的Caponlll蜷20空间谱输出表达式：士坦⋯⋯．⋯LL-LL-⋯LOPMvD()=。SNR／【dR1图I不同信噪比下窄带信号方位估计性能显然，a()就是上面所说的信号在单矢量水听器上的阵3．2宽带信号

7、的方位估计列流型。到此，我们已经将阵处理中“声场方位谱”的概念引仿真参数设置：带宽lkHz零均值高斯噪声，信号参入到了单矢量水听器的信号处理中。和传统的Capon谱估计数0=30。，lkHz的宽带信号，样本点数l000，搜索步长算法一样，本方法也需要在方向轴上进行全域搜索。△0=0．1。，采样频率4kHz，统计100次独立实验的数据结果。特别需要指出的是，基于单矢量水听器的Capon空间谱图2给出了不同信噪比条件下宽带信号的方位估计性能估计，其阵列流型矢量中各元素分别对应着单矢量水听器、共曲线，并与互谱法的方位估计结果进行对比。从图2可看出，点接收的声压和振速，仅

8、包含目标的