用于水下近场信号跟踪的自适应远场变换法研究.doc

用于水下近场信号跟踪的自适应远场变换法研究.doc用于水下近场信号跟踪的自适应远场变换法研究【摘要】在实值前向-后向自适应特征分解算法的基础上,提岀了一种运用自适应远场变换估计近场信号源方位的自适应远场变换方法,通过仿真分析该方法的快速收敛性和估计准确度,并采用硬件模拟该方法的水下使用环境,证实了该方法同时跟踪近场信号源的到达方位和范围的可行性与有效性。【关键词】自适应远场变换;近场信号;波达方位1•引言信号波达方位(DOA)的估计广泛应用于雷达、声纳、通讯和地震学等领域。已有许多高分辨率的基于特征空间的方法用于DOA的估计。这些基于特征空间的方法,如多信号分类法(MUSIC),已被证实可有效应用于信号方位的估计。然而,这些方法应用于现实环境时会受到一些实际问题的影响,如近场信号源、多途干扰以及计算复杂度等。、窄带、不相干辐射源。第m个传感器处接收到的信号可表示为:式中,和分别表示在阵列中心观察到的第n个信号源的幅度和范围。是对应于频率w的波数。表示方差为的空间高斯白噪声。表示相对增益系数,表示第n个信号源到第m个传感器的范围。和的计算式如下:(2)式中,是从第n个信号源到阵列中心参考轴的方位。第m个传感器相对于阵列中心的相对位置可表示为。图1给出了一个信号源情形下传感器-信号源的几何结构。式(2)中的可近似为:(3)图1近场信号源的传感器-信号源几何结构由式(1)和(3)可知,接收信号的矢量形式可表不为:(4)为方位处的第n个近场信号源的转向矢量,可近似为:(5)式(5)中,是方位处的远场转向矢量,表示远场转向矢量和近场转向矢量之间的变换阵,且:(7)3•自适应远场变换建立近场信号源方位和范围估计的自适应远场变换(AFFT)法。接收信号的协方差矩阵为:(8)式中,E和H分别表示期望运算和复共辘转置。假设信号个数小于传感器个数,即N得到R降序排列的特征值:且是对应于的特征矢量。此时,相关矩阵R可特征分解产生信号子空间和噪声子空间,即:(9)式(9)中"”。在二维MUSIC方法中,转向矢量投影到噪声子空间,对角度和范围进行参数搜索,当谱达到峰值时,得到真实的方位矢量。利用式(5)可得到空谱,即的逆:(10)式(10)中,。由式(10)可知,当近场信号源对应的信号子空间变换成与之相联系的远场信号子空间时,角度和范围的二维参数搜索可简化成一维角度搜索。然而,构造需要知道转换矩阵,这意味着信号方位角和范围应该是事先已知的。本研究中,提出了一种自适应远场变换(AFFT)方法。该方法利用实值前向-后向自适应特征分解(RFBAE)算法⑴调整信号子空间,并利用前次迭代中估计的和范围对应的转换阵将转换为,然后利用转换后的建立由根-MUSIC定义的多项式。本文所提AFFT方法总结如下:(1) 根据RFBAE算法调整由接收信号得到的近场信号子空间。(2) 利用转换矩阵将近场信号子空间转换成远场信号子空间。(3) 利用根据根-MUSIC方法估计远场方位。而且,该AFFT方法结合空间平滑法和RFBAE算法可进一步改进相干源的参数估计。4•实验仿真研究为验证所提方法的有效性,进行了仿真。对具有11个元素且等间距为半个波长的线性阵进行了实验。首先考虑两个位于和处的近场信号源,其具有相同的信噪比SNR=10dBo应用对该信号源的参数估计检测了杨氏方法、远