【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于陣列信號處理和水下目標方位估計，具體涉及一種基于改進自適應匹配追蹤的水下多目標方位估計方法。
技術介紹
1、水下多目標方位估計是海洋探測、水下機器人導航等領域的核心技術之一。精準獲取水下目標的數量和方位信息，不僅能提升水下通信、導航和探測系統的性能，還對實際應用具有重要意義。然而，現有的目標方位估計算法存在以下局限性：傳統波束形成算法：難以同時兼顧高分辨率和高穩健性；子空間類算法：依賴預知目標數量，且無法有效處理相干信號；基于神經網絡的算法：在不同場景下的適應性較差。
2、近年來，隨著壓縮感知理論的發展，稀疏恢復方法逐漸成為高精度目標方位估計的重要手段。作為稀疏恢復算法的代表，貪婪類算法因其計算復雜度低和重構精度高的優勢而受到廣泛關注。然而，傳統稀疏恢復算法需要預先估計稀疏度，這限制了其應用范圍。盡管自適應匹配追蹤算法(samp)消除了對稀疏度預估的依賴，但在目標方位估計問題中仍存在以下挑戰：
3、1.迭代步長選擇困難：步長設置不當可能引入額外的原子進而導致算法失效；
4、2.支撐集基數影響估計效果：支撐集基數過大會降低最小二乘估計的精度進而影響稀疏恢復效果；
5、3.終止條件難以預估：算法對噪聲能量的先驗依賴限制了其實用性。
6、為解決上述問題，本專利技術提出了一種基于改進自適應匹配追蹤算法的水下多目標方位估計方法，通過對來波信號進行優化處理，從而實現高精度、多目標的水下方位估計。這種方法旨在克服傳統算法的缺點，為水下目標定位提供更可靠的技術支持。>
技術實現思路
1、要解決的技術問題：
2、為了避免現有技術的不足之處，本專利技術提供一種基于改進自適應匹配追蹤的水下多目標方位估計方法，通過最小二乘相似準則篩選原子，并參考相鄰殘差的能量變化程度進行迭代終止判別，實現對來波個數以及來波方位的自適應精準估計。本專利技術解決了現有水下多目標方位估計中，經常存在目標來波個數以及目標來波方向無法自適應高精確估計的問題。
3、本專利技術的技術方案是：一種基于改進自適應匹配追蹤的水下多目標方位估計方法，具體步驟如下：
4、通過陣列采集得到目標信號，對獲取目標信號數據進行復數化處理；
5、基于目標信號來波方向構建改進自適應匹配追蹤所用的空域字典集；
6、對所構建的空域字典集進行自適應搜索，并根據殘差能量的變化情況，完成原子篩選；
7、根據構建空域字典集時所使用的完備來波方向角度集合，結合完成原子篩選所確定的索引集，完成對來波個數以及稀疏信號的估計，并將預估的空域稀疏信號轉化為目標方位。
8、本專利技術的進一步技術方案是：所述對獲取目標信號數據進行復數化處理的方法為，將陣列各陣元接收到的實數信號表示為x(t)，將實數信號x(t)進行hilbert變換，表達式如下：
9、
10、式中，為復信號，是x(t)的hilbert變換結果；τ表示積分變量；
11、將同一快拍下陣列各陣元接收的實數信號進行hilbert變換后的結果，用向量y進行表示。
12、本專利技術的進一步技術方案是：所述空域字典集的構建方法為：
13、通過m個陣元接收到來自k個來波方向的k個實數信號；
14、基于實數信號的來波方向，建立完備來波方向角度集合；
15、在所述完備來波方向角度集合基礎上，以陣列的第一個陣元作為參考點，根據陣列結構特性設計空域字典集a如下：
16、
17、式中，j為虛數單位，f為來波信號的載波頻率，τm(θn)為信號從角度θn入射時，到達第m號陣元相對于參考點的時間延遲，m＝2,…,m,n＝1,…,n。
18、本專利技術的進一步技術方案是：所述原子篩選之前需要對相干參數進行初始化，即令殘差信號r0＝y，迭代次數t＝1，階段數stage＝1，索引集步長s＝1，原子篩選個數l＝1。
19、本專利技術的進一步技術方案是：所述原子篩選的具體過程為：
20、計算空域字典集a與殘差rt-1的內積u；
21、從u中選取最大的1個值，并將這個值對應的a序列序號j記為潛在索引集j；
22、更新索引集合和候選支撐集合；
23、求解更新后的候選支撐集合表達陣列接收信號y的最小二乘解；
24、從最小二乘解的向量個元素值中選出前l項值最大的元素，將其對應的各項索引記為f；
25、更新殘差；
26、根據殘差能量的變化進行判斷，當迭代次數和殘差能量變化滿足要求時，則完成原子篩選，停止迭代。
27、本專利技術的進一步技術方案是：所述原子篩選的計算過程如下：
28、所述空域字典集a與殘差rt-1的內積u表達式為：u＝abs(atrt-1)；
29、所述索引集合更新為λt＝λt-1∪j；
30、所述候選支撐集合更新為at＝at-1∪{aj},j∈j；
31、所述最小二乘解表達式為：
32、所述殘差更新為
33、本專利技術的進一步技術方案是：所述根據殘差能量的變化進行判斷具體過程如下：
34、若||rnew||2≥||rt-1||2，則更新stage＝stage+1，l＝stage*s，并返回進入下一次迭代；
35、若||rnew||2<||rt-1||2,則更新索引集λt＝f，并記錄殘差值變化it＝||rt-1||2-||rnew||2；同時，做出多目標方位估計迭代終止判別：若迭代次數t≥3、it<0.7*it-2與it-1<0.7*it-2同時滿足，則完成原子篩選，停止迭代；否則，取rt＝rnew，t＝t+1，繼續進行迭代。
36、本專利技術的進一步技術方案是：所述來波個數k估計為：列向量的維數。
37、本專利技術的進一步技術方案是：所述目標信號的來波方向估計為：將預先構建的完備來波方向角度集合θ＝[θ1,θ2,…,θn]按索引集λt-2中各元素值進行索引后得到的角度。
38、一種基于改進自適應匹配追蹤的水下多目標方位估計系統，包括陣列傳感器、信號復數化處理模塊、原子篩選模塊及估計模塊；
39、通過陣列傳感器獲取目標信號的實數信號；
40、通過信號復數化處理模塊將所述實數信號轉化為復數信號；
41、通過原子篩選模塊對空域字典集進行自適應搜索，并根據殘差能量的變化情況，完成原子篩選；
42、通過估計模塊完成對來波個數以及稀疏信號的估計，并將預估的空域稀疏信號轉化為目標方位。
43、有益效果
44、本專利技術具有以下有益效果：本專利技術所提出的算法通過建立空域稀疏波達方向估計模型，將目標方位估計問題轉換為稀疏信號重構問題，突破了陣列孔徑的限制，實現了更高分辨率的方位估計。具體優勢如下：
45、改進迭代步長選擇：通過分析波達方位估計問題本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于改進自適應匹配追蹤的水下多目標方位估計方法，其特征在于具體步驟如下：
2.根據權利要求1所述一種基于改進自適應匹配追蹤的水下多目標方位估計方法，其特征在于：所述對獲取目標信號數據進行復數化處理的方法為，將陣列各陣元接收到的實數信號表示為x(t)，將實數信號x(t)進行Hilbert變換，表達式如下：
3.根據權利要求2所述一種基于改進自適應匹配追蹤的水下多目標方位估計方法，其特征在于：所述空域字典集的構建方法為：
4.根據權利要求3所述一種基于改進自適應匹配追蹤的水下多目標方位估計方法，其特征在于：所述原子篩選之前需要對相干參數進行初始化，即令殘差信號r0＝y，迭代次數t＝1，階段數stage＝1，索引集步長s＝1，原子篩選個數L＝1。
5.根據權利要求4所述一種基于改進自適應匹配追蹤的水下多目標方位估計方法，其特征在于：所述原子篩選的具體過程為：
6.根據權利要求5所述一種基于改進自適應匹配追蹤的水下多目標方位估計方法，其特征在于：所述原子篩選的計算過程如下：
7.根據權利要求6所述一種基于改進
8.根據權利要求7所述一種基于改進自適應匹配追蹤的水下多目標方位估計方法，其特征在于：所述來波個數K估計為：列向量的維數。
9.根據權利要求8所述一種基于改進自適應匹配追蹤的水下多目標方位估計方法，其特征在于：所述目標信號的來波方向估計為：將預先構建的完備來波方向角度集合Θ＝[θ1,θ2,…,θN]按索引集Λt-2中各元素值進行索引后得到的角度。
10.一種基于改進自適應匹配追蹤的水下多目標方位估計系統，用于實施權利要求1-9任一項所述基于改進自適應匹配追蹤的水下多目標方位估計方法；其特征在于：包括陣列傳感器、信號復數化處理模塊、原子篩選模塊及估計模塊；
...【技術特征摘要】
1.一種基于改進自適應匹配追蹤的水下多目標方位估計方法，其特征在于具體步驟如下：
2.根據權利要求1所述一種基于改進自適應匹配追蹤的水下多目標方位估計方法，其特征在于：所述對獲取目標信號數據進行復數化處理的方法為，將陣列各陣元接收到的實數信號表示為x(t)，將實數信號x(t)進行hilbert變換，表達式如下：
3.根據權利要求2所述一種基于改進自適應匹配追蹤的水下多目標方位估計方法，其特征在于：所述空域字典集的構建方法為：
4.根據權利要求3所述一種基于改進自適應匹配追蹤的水下多目標方位估計方法，其特征在于：所述原子篩選之前需要對相干參數進行初始化，即令殘差信號r0＝y，迭代次數t＝1，階段數stage＝1，索引集步長s＝1，原子篩選個數l＝1。
5.根據權利要求4所述一種基于改進自適應匹配追蹤的水下多目標方位估計方法，其特征在于：所述原子篩選的具體過程為：
6.根據權利...
【專利技術屬性】
技術研發人員：于洋，姚添譯，潘光，閆晨紅，袁瑀聰，楊炎坤，
申請(專利權)人：西北工業大學深圳研究院，
類型：發明
國別省市：
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