近日，廈門大學海洋與地球學院童峰教授團隊在通信領域權威期刊IEEE Transactions on Vehicular Technology上發表了題為“Small Size Array Underwater Acoustic DOA Estimation Based on Direction-Dependent Transmission Response”的研究論文。該研究提出一種基于方向相關傳輸響應的小尺寸水聲陣列波達方向（Direction of Arrival, DOA）的估計方法，從空間稀疏恢復的角度克服了傳統方法估計結果受陣列尺度嚴重制約的問題，為小型化水下航行器等小尺寸平臺水聲陣列DOA估計提供了新思路。

DOA估計是通過對目標來波信號的檢測和處理來確定該目標的空間位置（即目標相對于陣列參考陣元的方向角），是陣列信號處理中的一個重要研究方向。水下目標DOA估計在水下傳感器網絡、導航、海洋工程等領域有著廣泛的應用。

近年來，隨著不同類型小型化水下潛航器的迅猛發展，搭載于此類小型化平臺的水聲陣列其物理尺寸通常被限制在亞米級，對DOA估計性能造成極大影響。同時，有限陣元個數、低信噪比、少快拍等問題也會顯著降低DOA估計性能。此外，水聲信道嚴重多徑效應則給小尺寸陣列DOA估計帶來了進一步挑戰。

童峰教授團隊利用水下目標存在空間稀疏性這一特征，將小尺寸水聲陣列DOA估計轉化為空間稀疏恢復問題。考慮到水聲信道條件下不同DOA對應每個陣元具有不同的傳輸響應模式，水下目標DOA與陣元對應傳輸響應之間具有極強的相關特性，由此關聯特性可定義方向相關傳輸響應（DDTR）。在此工作的基礎上，研究團隊提出了一種基于DDTR的小尺寸水聲陣列DOA估計方法。該方法通過將DDTR分解為時延項（TD）和隨機信道響應項（RCR）解耦水聲信道多徑的不利影響，并從小尺寸陣列幾何結構出發，將每個與水下目標DOA關聯的TD構造為字典矩陣；與此同時，設計了不同準則的選擇性頻率累加壓縮感知重構算法（SFA-CS）來重構DOA。數值仿真結果表明，與傳統算法相比，該方法可有效提高小尺寸陣列水下目標DOA性能，獲得更低的均方根誤差（RMSE）和更高的成功率（SR），且對多普勒頻移具有較強的魯棒性。

研究團隊

該論文第一作者為海洋與地球學院博士生李嘉恒，通訊作者為童峰教授，合作作者包括周躍海副教授、中科院沈陽自動化所楊翊副教授和胡志強研究員。該研究獲得國家重點研發計劃項目（2018YFE00110000）和國家自然科學基金項目（11274259、11574258）的聯合資助。

論文來源

J. Li, F. Tong, Y. Zhou, Y. Yang and Z. Hu, Small size array underwater acoustic DOA estimation based on direction-dependent transmission response, in IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2022, doi: 10.1109/TVT.2022.3197922.

論文鏈接

https://doi.org/10.1109/TVT.2022.3197922

供稿：童峰

編輯：蘇穎

審核：劉志宇、唐騰鳳