本發(fā)明屬于聲納信號(hào)處理，尤其涉及一種融合誤差校正的聲納距離-角度聯(lián)合估計(jì)方法、裝置及設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、正交頻分復(fù)用(orthogonal?frequency?division?multiplexing，ofdm)聲納在軍事或民用目標(biāo)定位中提供了有趣且有前景的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)聲納系統(tǒng)相比，ofdm聲納對(duì)頻率偏移更加敏感。陣列不確定性和聲波傳播特性帶來(lái)的隨機(jī)相位誤差嚴(yán)重影響估計(jì)精度。

2、近年來(lái)，使用聲學(xué)通信信號(hào)的聲納探測(cè)由于其小的安裝空間、較低的實(shí)現(xiàn)成本和高頻譜效率受到了相當(dāng)大的關(guān)注。隨著正交頻分復(fù)用(ofdm)技術(shù)在通信中的巨大成功，ofdm聲納系統(tǒng)已被接受為一種有希望的方案，以提高使用線性調(diào)頻(lfm)信號(hào)或調(diào)頻連續(xù)波(fmcw)信號(hào)的傳統(tǒng)聲納系統(tǒng)的性能。無(wú)論是用于軍事還是民用目的，目標(biāo)定位都是聲納系統(tǒng)最重要的任務(wù)之一。ofdm系統(tǒng)中的聯(lián)合距離-角度估計(jì)已成為一個(gè)熱門(mén)話題。

3、基于ofdm系統(tǒng)，研究人員提出了各種距離-角度估計(jì)方法。多個(gè)信號(hào)分類(lèi)(music)算法被應(yīng)用于ofdm無(wú)線定位系統(tǒng)中，以估計(jì)每條路徑的到達(dá)角和到達(dá)時(shí)間(toa)。矩陣鉛筆(mp)法被提出用于ofdm通信系統(tǒng)中的角度和toa估計(jì)。近年來(lái)，music和通過(guò)旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)估計(jì)信號(hào)參數(shù)(esprit)已被引入ofdm雷達(dá)系統(tǒng)的距離-角度估計(jì)中。對(duì)于ofdm信號(hào)，使用esprit和music方法的組合進(jìn)行距離-角度估計(jì)。ofdm雷達(dá)系統(tǒng)的子空間高分辨率估計(jì)方法具有良好的準(zhǔn)確性，但由于特征值分解和譜峰搜索，計(jì)算成本高昂。壓縮感知(cs)技術(shù)通過(guò)解決稀疏驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化問(wèn)題，使得從有限的測(cè)量中準(zhǔn)確重建稀疏信號(hào)，進(jìn)而為聯(lián)合距離-角度估計(jì)提供了新的思路。已經(jīng)提出了基于cs的低復(fù)雜度ofdm雷達(dá)聯(lián)合距離-角度估計(jì)方法。通過(guò)構(gòu)建冗余字典和求解優(yōu)化問(wèn)題，恢復(fù)超分辨率的距離-角度估計(jì)。

4、上述聯(lián)合距離-角度估計(jì)方法主要應(yīng)用于空氣中的無(wú)線通信和雷達(dá)系統(tǒng)。然而，本技術(shù)討論的方案集中于主動(dòng)聲納系統(tǒng)。聲納系統(tǒng)中的傳感器位置或固有參數(shù)并不完全準(zhǔn)確，這會(huì)在每個(gè)陣列元件處引入未知的相位誤差。海洋中的聲波傳播特性，如海洋湍流和速度變化，使得聲納系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)面臨重大困難。為了滿(mǎn)足波長(zhǎng)級(jí)角度估計(jì)的精度要求，陣列和傳播誤差不能被忽視。高效的相位誤差補(bǔ)償對(duì)聲納系統(tǒng)至關(guān)重要，因此提出了一些相位誤差補(bǔ)償方法。最大后驗(yàn)(map)方法被提出用于在存在陣列誤差的情況下估計(jì)感興趣的信號(hào)，但所需的內(nèi)存量和處理計(jì)算量過(guò)大。低復(fù)雜度的特征結(jié)構(gòu)方法被提出用于估計(jì)角度和陣列誤差。基于cs的方法也被提出，通過(guò)解決稀疏信號(hào)和誤差的恢復(fù)優(yōu)化來(lái)解決由未知誤差引起的測(cè)量失真問(wèn)題。

5、接收到的信號(hào)是多目標(biāo)回波的疊加，來(lái)自不同距離單元的目標(biāo)回波會(huì)引起相互干擾，就像通信中的多路徑引起的符號(hào)間干擾(isi)一樣。參考在通信中添加循環(huán)前綴(cp)的ofdm技術(shù)，可以在ofdm聲納系統(tǒng)中抑制目標(biāo)干擾。同時(shí)，ofdm對(duì)時(shí)間和頻率偏移非常敏感，特別是在存在傳播介質(zhì)和陣列誤差的情況下，因此如何克服這一限制是ofdm聲納系統(tǒng)研究的主要方向之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提出了一種融合誤差校正的聲納距離-角度聯(lián)合估計(jì)方法、裝置及設(shè)備。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種融合誤差校正的聲納距離-角度聯(lián)合估計(jì)方法，包括：

3、對(duì)接收的正交頻分復(fù)用聲納信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，去除接收信號(hào)的循環(huán)前綴和尾部樣本；

4、對(duì)預(yù)處理后的接收信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，計(jì)算位移后的調(diào)制符號(hào)序列；

5、根據(jù)位移后的調(diào)制符號(hào)序列，利用多目標(biāo)干擾抑制特性以及波束成形技術(shù)，得到目標(biāo)的距離和角度的粗估計(jì)；

6、構(gòu)建矩陣形式的優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)迭代算法，逐步更新稀疏信號(hào)和相位誤差矩陣，直到達(dá)到預(yù)定的收斂標(biāo)準(zhǔn)，得到目標(biāo)的距離和角度估計(jì)結(jié)果。

7、優(yōu)選的，所述正交頻分復(fù)用聲納中是包括m個(gè)陣列的等間距線陣，相鄰陣列的間距為d＝λ/2，其中λ為信號(hào)波長(zhǎng)，發(fā)射的正交頻分復(fù)用信號(hào)s(t)為：

8、

9、其中，n為子載波數(shù)，k為子載波序號(hào)，δf為子載波間隔，δf＝b/n，b為帶寬，wk是通過(guò)二進(jìn)制數(shù)據(jù)和正交幅度調(diào)制獲得的調(diào)制符號(hào)序列，j表示虛部，t表示時(shí)域。

10、優(yōu)選的，所述正交頻分復(fù)用聲納中第m個(gè)陣列的接收信號(hào)gm(t)為：

11、

12、其中，a(r,θ)是目標(biāo)的反射函數(shù)，r為離散距離集，θ為角度，exp[jem(θ)]表示相位誤差，c是光速。

13、優(yōu)選的，所述位移后的調(diào)制符號(hào)序列wcp為：

14、

15、其中，ncp為循壞移位量。

16、優(yōu)選的，所述目標(biāo)的距離和角度的粗估計(jì)為：

17、

18、其中，a(n,q)為矩陣a的元素，n為第n個(gè)子載波數(shù)，q為第q個(gè)角度網(wǎng)格，ρr為距離分辨率，為粗估計(jì)的角度，為粗估計(jì)時(shí)延，繼而可得到粗估計(jì)距離，q為角度網(wǎng)格數(shù)量；

19、優(yōu)選的，所述矩陣形式為：對(duì)第m個(gè)陣列元件執(zhí)行n點(diǎn)傅里葉變換的矩陣形式，滿(mǎn)足下式：

20、y＝wave+n

21、其中，矩陣y為測(cè)量數(shù)據(jù)，矩陣a和矩陣n分別對(duì)應(yīng)目標(biāo)系數(shù)和加性白高斯噪聲，矩陣v表示導(dǎo)向向量，矩陣e表示不同陣列元件的相位誤差項(xiàng)，矩陣w表示位移后的調(diào)制符號(hào)。

22、優(yōu)選的，所述矩陣形式的優(yōu)化問(wèn)題為：

23、

24、其中，j(a,e)為目標(biāo)函數(shù)，y＝vec(y),a＝vec(a)，ze為字典矩陣，ρ表示正則化參數(shù)，分別為系數(shù)向量和相位誤差項(xiàng)的估計(jì)值。

25、優(yōu)選的，所述通過(guò)迭代算法，逐步更新稀疏信號(hào)和相位誤差矩陣，直到達(dá)到預(yù)定的收斂標(biāo)準(zhǔn)，得到目標(biāo)的距離和角度估計(jì)結(jié)果；包括：

26、步驟s1)l＝0，分別初始化對(duì)應(yīng)的系數(shù)向量和相位誤差項(xiàng)的估計(jì)值和

27、步驟s2)分別計(jì)算hessian矩陣通過(guò)求解下式更新

28、

29、通過(guò)下式更新角度估計(jì)

30、

31、其中，∠[·]表示復(fù)數(shù)的角度，ξm是一個(gè)m×m方陣，除第m個(gè)對(duì)角元素等于em所有元素都為零；(.)h為矩陣的共軛；為克羅內(nèi)克積；

32、步驟s3)判斷若判斷結(jié)果為真，執(zhí)行l(wèi)+1，并轉(zhuǎn)至步驟s2)；否則，轉(zhuǎn)至步驟s4)；

33、步驟s4)輸出目標(biāo)的距離估計(jì)和角度估計(jì)

34、另一方面，本發(fā)明提供了一種融合誤差校正的聲納距離-角度聯(lián)合估計(jì)裝置，包括：

35、預(yù)處理模塊，用于對(duì)接收的正交頻分復(fù)用聲納信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，去除接收信號(hào)的循環(huán)前綴和尾部樣本；

36、計(jì)算模塊，用于對(duì)預(yù)處理后的接收信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，計(jì)算位移后的調(diào)制符號(hào)序列；

37、粗估計(jì)模塊，用于根據(jù)位移后的調(diào)制符號(hào)序列，利用多目標(biāo)干擾抑制特性以及波束成形技術(shù)，得到目標(biāo)的距離和角度的粗估計(jì)；和

38、優(yōu)化迭代模塊，用于構(gòu)建矩陣形式的優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)迭代算法，逐步更新稀疏信號(hào)和相位誤差矩陣，直到達(dá)到預(yù)定的收斂標(biāo)準(zhǔn)，得到目標(biāo)的距離和角度估計(jì)結(jié)果。

39、第三方面，本發(fā)明還提供了一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序以實(shí)現(xiàn)上述方法的步驟。

40、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于：

41、本發(fā)明提出了一種新穎的ofdm聲納系統(tǒng)的距離-角度估計(jì)和相位誤差補(bǔ)償方法。由于傳感器位置不準(zhǔn)確、系統(tǒng)內(nèi)在參數(shù)、海洋湍流和速度變化，需要額外考慮相位誤差。利用ofdm聲納信號(hào)模型的結(jié)構(gòu)并考慮相位誤差，優(yōu)化問(wèn)題恢復(fù)了高精度和低旁瓣的聯(lián)合距離-角度估計(jì)。在存在相位誤差和強(qiáng)噪聲的情況下，估計(jì)精度和計(jì)算效率得到了提高。新的ofdm聲納系統(tǒng)的聯(lián)合距離-角度估計(jì)方法在系統(tǒng)集成、水下目標(biāo)檢測(cè)、定位和跟蹤等方面具有廣泛的應(yīng)用前景，是聲納系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的有前景的研究課題。