基于复匹配滤波与复点扩散函数角度一时延稀疏重构的水声阵列定位方法

本发明涉及基于复匹配滤波与复点扩散函数角度一时延稀疏重构的水声阵列定位方法，属于水声信号处理和主动声学定位。

背景技术：

1、水声信号定位是水下平台协同导航、水下通信链路建立、主动声呐探测以及水下目标相对测向测距中的重要技术。对于采用线性调频（lfm）等宽带主动信号的系统，接收端通常利用已知发射参考信号进行匹配滤波，以获得候选传播时延，再结合阵列信号处理方法估计目标到达方向。然而，浅水环境中存在海面反射、海底反射和边界散射等多径传播现象，当不同传播路径的时延间隔接近参考信号自相关主瓣宽度时，匹配滤波输出中的相关峰容易发生重叠，进而影响传播时延和到达角估计的稳定性。

2、现有水声阵列定位方法多采用波束形成或基于协方差子空间的阵列处理方法，例如常规波束形成、最小方差无失真响应波束形成和music等。上述方法实现相对直接，但在单周期或少量周期主动信号定位场景中，可用快拍数量有限；同时，浅水相干多径可能导致阵列响应叠加，使基于局部峰值、单一时延切片或协方差子空间的方法在强多径、低信噪比或阵列模型存在偏差时出现主瓣展宽、旁瓣增强、虚假峰保留或方位偏移等问题。

3、近年来，多维稀疏重构、点扩散函数建模和时间—空间联合处理为复杂传播环境下的参数估计提供了新的思路。有文献提出多维omp方法，用于同时处理角度、时延等多维参数估计问题。后来，围绕omp解卷积波束形成方法进行了改进，体现了omp与点扩散函数思想结合的可行性。再后来提出时间—空间二维稀疏解卷积波束形成方法，为宽带水声多径信号处理提供了参考。上述研究表明，联合利用时间、空间和点扩散响应信息有助于提高复杂多径环境下的参数估计能力。

4、但是，现有多维稀疏或时间—空间处理方法仍难以直接适配主动lfm水声阵列定位中的阵元—时延二维复匹配滤波输出，尤其在复匹配滤波相位信息保留、参考信号复自相关结构利用、通道质量差异处理、候选时延簇管理、相近路径冗余分量筛选以及跨时延簇角度一致性分析等方面仍存在不足。综上，现有技术对阵元—时延二维复相关结构利用不足，难以直接表征宽带路径在多个阵元和多个时延采样点上的复响应，且容易出现重复选择、同源分裂或虚假分量保留。

技术实现思路

1、针对现有浅水主动宽带水声阵列定位中传播时延提取不稳定以及虚假路径分量难以区分的问题，本发明提供一种基于复匹配滤波与复点扩散函数角度一时延稀疏重构的水声阵列定位方法。

2、本发明的一种基于复匹配滤波与复点扩散函数角度一时延稀疏重构的水声阵列定位方法，包括，

3、采用接收阵列采集多通道宽带水声接收信号，同时获得与发射信号对应的参考信号；对所述参考信号进行解析化处理，得到复参考信号；采用复参考信号对所述多通道宽带水声接收信号进行复匹配滤波，得到阵元—时延二维复相关输出矩阵；

4、根据阵元—时延二维复相关输出矩阵的幅值包络，构造加权多通道联合时延检测曲线，进行候选时延簇检测，并获得局部候选簇窗口；

5、由复参考信号构造复点扩散函数；针对所有候选时延簇，基于所述复点扩散函数在对应的局部候选簇窗口的时延轴上构造角度—时延复原子字典；

6、对每个局部候选簇窗口采用正交匹配追踪进行稀疏重构，将所述阵元—时延二维复相关输出矩阵在所述局部候选簇窗口内的对应局部复相关矩阵展开为观测向量，基于观测向量初始化残差；计算当前残差与角度—时延复原子字典中候选复原子的复内积得分，将得分最高的候选复原子确定为拟新增候选原子；

7、对所述拟新增候选原子执行投影子空间一致性判别和残差增益判别，根据判别结果确定是否加入支撑集；对支撑集内的已选原子执行联合最小二乘复系数估计并更新残差；重复执行拟新增候选原子的选择、判别以及残差更新，直至满足预设停止条件，得到一个或多个候选路径分量；对候选路径分量执行局部角度—时延联合细化，得到细化后的候选路径分量；

8、基于复点扩散函数一致性对细化后的候选路径分量进行剪枝，得到目标路径分量集合，汇总各候选时延簇对应的目标路径分量集合，确定最终输出路径分量，并根据所述最终输出路径分量对应的到达角和传播时延确定目标距离及目标估计位置。

9、根据本发明的基于复匹配滤波与复点扩散函数角度一时延稀疏重构的水声阵列定位方法，得到阵元—时延二维复相关输出矩阵的方法为：

10、将复参考信号表示为：

11、，

12、式中为参考信号，为时间，为虚数单位，表示hilbert变换；

13、将复参考信号的共轭反转形式作为复匹配滤波模板：

14、；

15、对接收阵列中每个阵元的接收信号执行复匹配滤波：

16、，

17、式中为第m个阵元的复匹配滤波输出，为第m个阵元的接收信号，为候选时延；

18、将所有阵元的复匹配滤波输出按照阵元维和时延采样维排列，得到阵元—时延二维复相关输出矩阵：

19、，

20、式中为阵元数，为第个时延采样点，为时延采样点数。

21、根据本发明的基于复匹配滤波与复点扩散函数角度一时延稀疏重构的水声阵列定位方法，由阵元—时延二维复相关输出矩阵计算幅值包络矩阵：

22、；

23、对幅值包络矩阵进行逐通道归一化得到归一化幅值包络矩阵：

24、，

25、式中为极小正数；

26、将归一化幅值包络矩阵转换为db形式：

27、，

28、式中为无量纲的线性幅值下限，；

29、计算通道质量：

30、，

31、式中为第m个通道的通道质量，为第m个通道包络的峰值，为第m个通道包络的背景噪声估计量；

32、将第m个通道的通道质量归一化后得到通道权重：

33、；

34、构造加权均值曲线：

35、，

36、构造跨通道最大响应曲线：

37、；

38、假设第m个通道的通道估计活跃门限为，计算每个时延采样点处的活跃通道数：

39、，

40、式中为示性函数；

41、按照预设融合规则得到加权多通道联合时延检测曲线：

42、，

43、式中为预设最小活跃通道数，为跨通道最大响应曲线的权重因子。

44、根据本发明的基于复匹配滤波与复点扩散函数角度一时延稀疏重构的水声阵列定位方法，获得局部候选簇窗口的方法为：

45、对加权多通道联合时延检测曲线进行归一化并转换为db表示得到：

46、，

47、，

48、式中为归一化后联合时延检测曲线，为db表示的联合时延检测曲线；

49、在db表示的联合时延检测曲线中搜索满足下列条件的连续时延采样区间作为候选时延簇：

50、，

51、式中为候选时延簇检测门限；

52、若相邻候选时延簇的时延间隔小于预设合并间隔，合并为一个候选时延簇；

53、对每个候选时延簇在起始边界之前和结束边界之后分别增加预设保护时延，得到局部候选簇窗口。

54、根据本发明的基于复匹配滤波与复点扩散函数角度一时延稀疏重构的水声阵列定位方法，由复参考信号构造复点扩散函数的方法为：

55、对复参考信号进行复自相关运算，得到复自相关序列：

56、；

57、在复自相关序列的离散形式下，构造复点扩散函数：

58、，

59、式中为可取正、负值的相关滞后索引，为复参考信号在第n个时延采样点的离散样值；

60、对复点扩散函数进行最大幅值归一化，得到归一化复点扩散函数：

61、；

62、设复参考信号采样频率为，令，以为样本对归一化复点扩散函数做复值线性插值，得到连续时延复点扩散函数。

63、本发明的有益效果：本发明方法结合复匹配滤波相位信息、复点扩散函数、角度—时延稀疏重构和冗余分量抑制机制进行水声阵列定位，适用于浅水多径、低信噪比及通道质量不一致条件下的宽带水声信号定位。

64、本发明方法将复匹配滤波后的阵元—时延二维复相关输出作为定位观测对象，能够同时利用阵元维相位关系和时延维复相关结构；通过加权多通道联合时延簇检测降低低质量通道和孤立响应对候选时延选择的影响；通过复点扩散函数、阵列几何和传播时延共同构造角度—时延复原子，实现候选路径的稀疏重构；通过投影子空间一致性判别、局部角度—时延联合细化、复点扩散函数一致性剪枝和跨簇角度一致性分析，减少重复选择、同源分裂和虚假路径保留，提高了浅水多径、低信噪比及通道质量不一致条件下目标到达角和传播时延估计的稳定性。