水声宽带双曲调频信号波达方向估计：一种新的短时分数阶傅里叶变换方法

"一种水声宽带双曲调频信号波达方向估计方法" 本文提出了一种创新的水下宽带双曲调频信号波达方向估计技术，主要基于短时分数阶傅里叶变换（Short-Time Fractional Fourier Transform, STFRFT）。在水声通信和探测领域，准确估计信号的波达方向（Direction of Arrival, DOA）对于目标定位和跟踪至关重要。传统的DOA估计算法，如基于傅里叶变换的方法，往往在处理宽带信号和时变环境时表现不足。 文章首先建立了均匀线列阵声呐在远场接收宽带双曲调频信号的数据模型。这种模型考虑了信号传播过程中的物理效应，如多路径传播、衰减等。接着，研究者提出了一种新颖的处理策略，即在时间域内将接收到的信号分割成多个时间段，并对每一时段的信号执行STFRFT。这种方法可以有效地捕获信号的时间变化特性，将时域数据转换为分数阶傅里叶域的阵列数据。同时，通过变换时变的阵列流形矩阵，将其转化为与每个时间段相对应的一系列固定阵列流形矩阵，便于后续的处理。 接下来，论文采用多重信号分类（MUltiple SIgnal Classification, MUSIC）算法来估计各个短时信号的空间谱。MUSIC算法是一种功率谱估计方法，它能够有效地识别噪声子空间，从而提高DOA估计的准确性。通过对各时段的短时信号空间谱求和，可以得到整个信号时段的双曲调频信号空间谱。然后，通过搜索这个空间谱的峰值，可以确定信号的波达方向。 为了验证新方法的有效性和性能，作者进行了仿真实验并分析了结果。实验表明，新方法在不同条件下的DOA估计性能优于传统方法，特别是在阵列接收信号的时域分段数、信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）以及目标方位变化的情况下，新方法显示出更高的方位分辨率和估计精度。 关键词涉及的技术点包括：分数阶傅里叶变换（用于捕捉信号的时间频率特性），双曲调频信号（一种广泛用于水声通信的宽带信号类型），波达方向估计（水声信号处理的关键环节），以及均匀线列阵（常见的声呐传感器配置，用于接收和定位信号）。 这项研究为水声信号处理提供了一个高效、高精度的DOA估计方法，对于改善水下通信和探测系统的性能有重要意义。未来的研究可能进一步探索这种方法在更复杂环境和更大规模阵列中的应用，以及与其他信号处理技术的集成。