低成本無線聲陣列網絡的實時高效DOA估計研究.pdf

1、無線聲傳感器陣列網絡(WASAN)將無線聲傳感器網絡與傳感器陣列處理相結合，因此兼具他們各自擁有的高精度、自組網、強隱蔽性等優(yōu)勢，廣泛應用于低空無人機、地面重型車輛以及水下潛艇等國防安全領域的被動目標定位和追蹤。然而受本地計算、通信帶寬和能量供給方面的限制，低成本無線陣列實時高效DOA估計是一個極具挑戰(zhàn)性的課題。近年來新興的壓縮感知技術，面向信號的稀疏特性，通過少量的隨機觀測數據高概率地恢復出原始信號，在本地資源受限和通信受限的WASA

2、N系統(tǒng)中具有非常大的潛在應用價值。本文在綜述了國內外關于WASAN被動目標定位最新研究進展的基礎上，針對WASAN的資源受限問題從低功耗信號采集、高效實時數據傳輸、信息信號處理以及快速算法實現方面展開較為系統(tǒng)和深入的研究。本文的主要內容如下:
　　1.提出了一種基于聲陣列信號疏特性的隨機壓縮采樣與重構方法。該方法基于陣列信號的頻域稀疏特性，針對傳感器節(jié)點本地計算資源和通信帶寬受限的特點通過隨機非均勻采樣技術對原始信號進行降維觀測，

3、在降低WASAN數據發(fā)送量的同時無需額外的本地計算開銷。
　　2.提出了一種基于聯合稀疏特性的DOA(Direction of Arrival)估計方法。該方法利用有限數目的目標在角度空間的稀疏性和聲源信號在頻域的稀疏性，通過引入了聯合稀疏表示矩陣的方法對陣列隨機壓縮采樣數據在角度空間和頻率空間進行聯合稀疏表示，并直接對目標的DOA角度進行稀疏重構。該方法在降低陣列數據量的同時避免了傳統(tǒng)壓縮采樣-信號重構-DOA處理模式中信號重構

4、誤差到DOA估計誤差的傳遞過程，減少了信號處理的冗余。
　　3.提出了一種極低數據量的DOA估計方法。該方法面向DOA估計的本質問題-相位差估計，利用單比特壓縮感知技術對信號波形進行重構的特點，在傳感器節(jié)點端僅用1比特對采樣得到的數據進行量化。進一步利用信號的聯合稀疏特性，從單比特量測中估計出目標的DOA空間譜。
　　4.提出了一種快速三維DOA估計方法用于WASAN系統(tǒng)本地DOA估計實現。該方法基于陣列幾何結構特性解決了當

5、陣元間距大于信號半波長時候存在的相位模糊問題并構建了基于相位量測的線性DOA估計模型直接在相位空間對DOA值進行計算。該方法解決了傳統(tǒng)的AML、MUISC、Beamforming等基于角度窮舉搜索算法計算復雜度大的問題。理論分析表明，該方法的DOA估計誤差的協方差和AML估計器的克拉美羅下界一致。
　　5.提出了一種基于相位量測的分布式快速目標定位算法。該方法僅需要將少量的本地預處理結果發(fā)送到后端融合中心進行直接定位，避免了傳統(tǒng)基