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专利号: 2026100798832
申请人: 青岛理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2026-10-28
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种共轭增强与虚拟扩展的UUV舷侧阵DOA估计方法,无人水下航行器舷侧阵采用平行互质阵列,该平行互质阵列由子阵1和子阵2组成,子阵2阵元数量与阵列结构和子阵1相同,子阵1和子阵2之间的间距为d,,表示信号的波长,子阵1是由一对均匀线阵嵌套而成的互质阵,第一个均匀线阵由间隔Nd的M个传感器组成,其阵元位置集和为,第二个均匀线阵由间隔Md的N个传感器组成,其阵元位置集合为,其中M和N是互质整数,两个均匀线阵共用第一个传感器,该互质阵共由个传感器组成,子阵2与子阵1平行,在子阵1的上方,两个子阵的间距为d,用和分别表示第个入射信源的方位角和俯仰角,,用表示入射信号与子阵1之间的夹角,其特征在于:一种共轭增强与虚拟扩展的UUV舷侧阵DOA估计方法包括如下步骤:步骤一:设表示子阵1参考阵元的接收信号,表示子阵2参考阵元的接收信号,表示子阵1第个阵元的接收信号,表示子阵2第个阵元的接收信号,其中;

步骤二:选取子阵1中的参考阵元进行共轭增广处理,计算子阵1各阵元与参考阵元的自相关矩阵以及共轭自相关矩阵和子阵2各阵元与参考阵元的互相关矩阵以及共轭互相关矩阵;

步骤三:选取子阵2中的参考阵元进行共轭增广处理,计算子阵1各阵元与参考阵元的共轭互相关矩阵和子阵2各阵元与参考阵元的共轭自相关矩阵;

步骤四:对增广矩阵进行加权组合,,,

步骤五:分别取的前行得到新的矩阵,构造扩展矩阵和:,;

步骤六:基于扩展矩阵和计算协方差矩阵和互协方差矩阵:,,表示快拍数,表示矩阵的共轭转置;

步骤七:根据阵列参数构建差分共阵虚拟阵列,其虚拟阵元位置集和为,其中表示虚拟阵元总数;

步骤八:构建冗余整合矩阵,将分别与向量化的和相乘,获得去冗余后的虚拟阵列等效信号向量和;

步骤九:基于步骤八所述等效信号向量重构具有Toeplitz结构的虚拟阵列协方差矩阵和;

步骤十:构造扩展矩阵,对进行奇异值分解,取前列信号子空间得到矩阵,取前行得到,取后行得到,其中表示矩阵的共轭转置;

步骤十一:求解旋转不变性方程,得到旋转算子矩阵,对进行特征分解:,可以从中得到对应的特征值,表示入射信源的数量,其中,为特征向量矩阵;

步骤十二:根据步骤十一得到的特征值,可以得到俯仰角的估计为,表示入射信源的数量,式中表示取复数的相位角;

步骤十三:利用特征分解后的特征向量矩阵计算,取前行得到矩阵,取后行得到矩阵,求解旋转不变性方程;

步骤十四:对进行特征值分解得到特征值,进一步可得角的估计值,表示入射信源的数量;

步骤十五:根据得到的和可得方位角的估计值,表示入射信源的数量。

2.根据权利要求1所述的一种共轭增强与虚拟扩展的UUV舷侧阵DOA估计方法,其特征在于,步骤二中所述的四类相关矩阵的计算方法为:子阵1各阵元与参考阵元的自相关矩阵其中,为处理时延数,表示期望运算,表示矩阵的共轭;由共轭翻转可得子阵1各阵元与参考阵元的共轭自相关矩阵,其中为的反对角单位矩阵,表示矩阵的复共轭;子阵2各阵元与参考阵元的互相关矩阵;由共轭翻转可得子阵2各阵元与参考阵元的共轭互相关矩阵。

3.根据权利要求1所述的一种共轭增强与虚拟扩展的UUV舷侧阵DOA估计方法,其特征在于,步骤三中所述的两类相关矩阵的计算方法为:由共轭翻转可得子阵1各阵元与参考阵元的共轭互相关;由共轭翻转可得子阵2各阵元与参考阵元的共轭自相关。

4.根据权利要求1所述的一种共轭增强与虚拟扩展的UUV舷侧阵DOA估计方法,其特征在于,步骤七中所述差分共阵虚拟阵列的构造方法为:互质阵列的差分集合,其中,表示物理阵元的实际位置坐标,和的取值范围是,,从所述差分共阵集合中选取最大连续整数区间作为虚拟阵列位置集合,其中为虚拟阵列半孔径,虚拟阵元总数。

5.根据权利要求1所述的一种共轭增强与虚拟扩展的UUV舷侧阵DOA估计方法,其特征在于,步骤八中所述冗余整合矩阵的构造方法为:对虚拟阵列位置集合中的每个位置,定义集合,其中,和表示第个和第个物理阵元的位置,为实际物理阵元总数;构造矩阵的第m行:,其中为将单位矩阵向量化后,在位置处为1,其余位置为0的列向量,表示集合的元素数量。

6.根据权利要求1所述的一种共轭增强与虚拟扩展的UUV舷侧阵DOA估计方法,其特征在于,步骤九中所述虚拟阵列协方差矩阵的重构方法为:取等效信号向量后行得到,取前行并上下翻转得到,构造Toeplitz矩阵:,式中,表示以向量 为第一列,向量为第一行构造的Toeplitz矩阵;取等效信号向量后行得到,取前行并上下翻转得到,构造Toeplitz矩阵:,式中,表示以向量 为第一列,向量为第一行构造的Toeplitz矩阵。

7.根据权利要求2或3任一项所述的一种共轭增强与虚拟扩展的UUV舷侧阵DOA估计方法,其特征在于,所述期望运算具体计算方法为:对于任意相关矩阵的第行第列元素,其中为第个阵元的接收信号,为参考阵元接收信号,和为时间索引,根据相关矩阵类型不同确定:,,,,,。