【摘 要】
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波达方向（Direction of Arrival,DOA）估计是阵列信号处理的一个基本问题,水下DOA估计在水下导航、水声定位、海洋开采等领域都有十分广泛的应用。在实际水下环境中,常使用声波进行传播,而声波波速随着环境因素的改变而不断变化。传统DOA估计算法把声速当成常量来计算,这会导致较大的估计误差。而现有水下DOA算法使用均匀线阵,估计精度不够高。本文主要研究基于嵌套阵的声速无关的水下DOA
【基金项目】
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国家自然科学基金; 广东省自然学科基金; 广东省科技计划项目
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波达方向（Direction of Arrival,DOA）估计是阵列信号处理的一个基本问题,水下DOA估计在水下导航、水声定位、海洋开采等领域都有十分广泛的应用。在实际水下环境中,常使用声波进行传播,而声波波速随着环境因素的改变而不断变化。传统DOA估计算法把声速当成常量来计算,这会导致较大的估计误差。而现有水下DOA算法使用均匀线阵,估计精度不够高。本文主要研究基于嵌套阵的声速无关的水下DOA估计算法,主要工作有:（1）研究了声速对DOA估计结果的影响,提出了声速相关的均方根误差((（8（8））的概念,从理论上和仿真上证明了((8（8）是传统DOA估计算法的性能上限,为研究声速无关的水下DOA估计算法提供了理论指导。（2）提出了一种新的阵列结构,即交叉嵌套阵。该天线阵是由多条嵌套阵组合而成的,同时具有嵌套阵和交叉均匀线阵的优点。相对于交叉均匀线阵,该天线阵有足够大的天线孔径可以提高估计精度;相对于L型嵌套阵,该天线阵的交叉结构可以消除不准确声速带来的误差。（3）提出了一种基于二维交叉嵌套阵的声速无关的一维水下DOA估计算法。该算法分别对两条嵌套阵进行一维角度估计,基于特殊的交叉角在两组估计值中建立关系,通过排序对两组值进行配对,配对之后相除从而消除声速变量,进而得到声速无关的一维DOA估计结果,同时也可以得到实时声速的估计值。相对于基于嵌套阵的传统算法,该算法的估计结果是声速无关的;相对于现有声速无关的一维DOA算法,该算法采用嵌套阵,有更高的估计精度和更好的鲁棒性。（4）提出了一种基于三维交叉嵌套阵的声速无关的水下二维DOA估计算法。该算法分别对三条嵌套阵进行一维角度估计得到三组角度估计值,遍历所有配对组合、结合声速范围并按照滑动窗口方差最小原则得到声速估计值,用声速估计值修正前面的三组角度并进行配对,从而可以得到声速无关的二维DOA估计结果。相对于基于L型嵌套阵的二维DOA估计算法,该算法估计结果是声速无关的;相对于现有的声速无关的二维DOA算法,该算法使用了嵌套阵,具有更高的估计精度和更好的鲁棒性。
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