基于單快拍數(shù)據(jù)的相干信號(hào)doa估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及能同時(shí)指示不同信號(hào)方向的陣列天線系統(tǒng)或方法技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及 一種基于單快拍數(shù)據(jù)的相干信號(hào)D0A估計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 以多重信號(hào)分類算法（MUSIC,multiplesignalclassification)和基于旋轉(zhuǎn)不 變技術(shù)的信號(hào)參數(shù)估計(jì)算法（ESPRIT,estimationofsignalparameterviarotational inviancetechniques)等經(jīng)典算法為代表的超分辨波達(dá)方向（DOA)技術(shù)是現(xiàn)代空間譜估 計(jì)的一個(gè)重要研宄點(diǎn)。其對(duì)信號(hào)空間到達(dá)角估計(jì)的精確性、實(shí)時(shí)性以及其廣泛的應(yīng)用前景 引起人們的極大關(guān)注。在經(jīng)典的D0A估計(jì)算法中，MUSIC算法和ESPRIT算法的實(shí)現(xiàn)都依 賴于接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣只能通過(guò)有限次快拍數(shù)據(jù)計(jì)算來(lái)近似得 到，且要求該協(xié)方差矩陣的秩等于信號(hào)源的數(shù)目。在實(shí)際應(yīng)用中，在處理短時(shí)突發(fā)數(shù)據(jù)或接 收信號(hào)經(jīng)過(guò)相干積累后只有單快拍數(shù)據(jù)可用時(shí)，該協(xié)方差矩陣的秩降為1，則經(jīng)典的MUSIC 算法和ESPRIT算法失效。單快拍條件下的DOA估計(jì)是空間譜估計(jì)亟需解決的一個(gè)實(shí)際問(wèn) 題。
[0003]目前，針對(duì)單快拍條件下的D0A估計(jì)的方法包括：直接數(shù)據(jù)域類方法、加權(quán)求和方 法和基于數(shù)據(jù)互相關(guān)預(yù)處理的相關(guān)算法等。在直接數(shù)據(jù)類算法中，大多數(shù)此類算法都只使 用奇數(shù)個(gè)陣元的接收數(shù)據(jù)構(gòu)造偽協(xié)方差矩陣，若陣元個(gè)數(shù)為偶數(shù)，則會(huì)造成接收數(shù)據(jù)信息 的浪費(fèi)；還有一些此類算法則在構(gòu)造偽協(xié)方差矩陣時(shí)增加的對(duì)信號(hào)源形式的約束，當(dāng)信號(hào) 源形式不滿足約束條件時(shí)，算法失效。加權(quán)求和方法利用部分接收數(shù)據(jù)求和后的數(shù)據(jù)構(gòu)造 偽協(xié)方差矩陣，該方法通過(guò)增加求和的信號(hào)數(shù)目來(lái)獲得信噪比的提升，同時(shí)減小了偽協(xié)方 差矩陣的自由度?；跀?shù)據(jù)互相關(guān)預(yù)處理的算法能獲得較好的D0A估計(jì)性能，但在數(shù)據(jù)預(yù) 處理方面增加了額外的計(jì)算量，且D0A估計(jì)性能受參考點(diǎn)接收數(shù)據(jù)的影響。目前單快拍條 件下的D0A估計(jì)算法中構(gòu)造的偽協(xié)方差矩陣大多都是方陣，其他形式的偽協(xié)方差矩陣尚未 得到充分應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于單快拍數(shù)據(jù)的相干信號(hào)D0A估計(jì)方 法，所述方法利用了單快拍下的所有接收數(shù)據(jù)，提高了D0A估計(jì)的準(zhǔn)確性。
[0005] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種基于單快拍數(shù)據(jù)的相干 信號(hào)D0A估計(jì)方法，其特征在于所述方法包括以下步驟：
[0006] 步驟一：天線的均勻直線陣列的陣元數(shù)為M，空間有N個(gè)相關(guān)性未知的遠(yuǎn)場(chǎng)窄帶信 號(hào)入射到所述均勻直線陣列上，則t時(shí)刻各陣元的輸出數(shù)據(jù)矩陣X(t) =A( 0 )S(t)+N(t) 為NX1的復(fù)矩陣，其中A(0) = [aplapj…a(0N)]，為MXN的陣列導(dǎo)向矢量矩陣， S(t)表示源信號(hào)矢量矩陣；N(t)表示陣列輸出的噪聲均值為零方差為〇2的加性高斯白噪 聲，且與源信號(hào)不相關(guān)；
[0007]步驟二：t時(shí)刻各陣元的輸出數(shù)據(jù)矩陣X(t) = [xjt),x2(t),???，xM(t)]T，利用每 個(gè)陣元的輸出數(shù)據(jù)構(gòu)造出偽協(xié)方差矩陣札和R2，其中札和R2的定義如下：
[0008] 當(dāng)均勻直線陣列的陣元數(shù)M為奇數(shù)時(shí)，Ri表示為
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于單快拍數(shù)據(jù)的相干信號(hào)DOA估計(jì)方法，其特征在于所述方法包括以下步 驟： 步驟一：天線的均勻直線陣列的陣元數(shù)為M，空間有N個(gè)相關(guān)性未知的遠(yuǎn)場(chǎng)窄帶信號(hào) 入射到所述均勻直線陣列上，則t時(shí)刻各陣元的輸出數(shù)據(jù)矩陣X(t) =A( 0 )S(t)+N(t)為 NX1的復(fù)矩陣，其中A(0) = [a(01)，a(02)...a(0N)]，為MXN的陣列導(dǎo)向矢量矩陣， S(t)表示源信號(hào)矢量矩陣；N(t)表示陣列輸出的噪聲均值為零方差為〇2的加性高斯白噪 聲，且與源信號(hào)不相關(guān)； 步驟二：t時(shí)刻各陣元的輸出數(shù)據(jù)矩陣X(t) = [11(1:)，12(1:)，"％111(1:)]1，利用每個(gè)陣 元的輸出數(shù)據(jù)構(gòu)造出偽協(xié)方差矩陣札和r2，其中札和r2的定義如下： 當(dāng)均勻直線陣列的陣元數(shù)M為奇數(shù)時(shí)，Ri表示為
式中，叉為副對(duì)角線上元素全為1的方陣，維數(shù)為[(M+l)/2]X[(M+l)/2]; 當(dāng)均勻直線陣列的陣元數(shù)M為偶數(shù)時(shí)，&表示為 R2表不為
步驟三：針對(duì)所使用的天線陣列陣元的奇偶狀況，計(jì)算出步驟二所構(gòu)造出的偽協(xié)方差 矩陣札的轉(zhuǎn)置，即R/; 步驟四：構(gòu)造出新的擴(kuò)展的偽協(xié)方差矩陣R=[IVR2]; 步驟五：對(duì)R進(jìn)行奇異值分解，在奇數(shù)個(gè)天線陣元的條件下，分解出（M+1)/2個(gè)特征值 為入i彡人2彡…彡人N彡人N+1 =…=人tt+1)/2= 〇 2,在偶數(shù)個(gè)天線陣元的條件下，分解出 (M+2)/2個(gè)特征值為A#A2彡…彡AAN+1 =…=A_/2= 〇 2,通過(guò)判斷大特征值 的個(gè)數(shù)來(lái)估計(jì)信號(hào)源個(gè)數(shù)，并根據(jù)所對(duì)應(yīng)的特征向量分別得到信號(hào)子空間Us和噪聲子空 間矩陣UN;
步驟六：利用MUSIC算法構(gòu)建空間譜函； 1為源信號(hào) 的空間到達(dá)角，當(dāng)M為奇數(shù)時(shí)，^(0)表示a(0)的后（M+l)/2行，當(dāng)M為偶數(shù)時(shí)，表 示a(0)的后（M+2)/2行，使空間到達(dá)角0在（-90°，90° )范圍內(nèi)變化，找出空間譜PiuSrc( 9 )極大值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的角度即為源信號(hào)的D0A。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于單快拍數(shù)據(jù)的相干信號(hào)DOA估計(jì)方法，涉及能同時(shí)指示不同信號(hào)方向的陣列天線系統(tǒng)或方法技術(shù)領(lǐng)域。所述方法通過(guò)對(duì)陣列的單次快拍接收數(shù)據(jù)進(jìn)行重排，得到兩個(gè)偽協(xié)方差矩陣，然后使用這兩個(gè)偽協(xié)方差矩陣來(lái)擴(kuò)展重構(gòu)子空間算法的偽協(xié)方差矩陣。對(duì)新的偽協(xié)方差矩陣進(jìn)行奇異值分解得到信號(hào)子空間和噪聲子空間，再利用MUSIC譜估計(jì)方法對(duì)相干來(lái)波信號(hào)進(jìn)行DOA估計(jì)。本方法在單快拍條件下能夠解除源信號(hào)間相干性，同時(shí)進(jìn)一步提高了DOA的估計(jì)精度，主要應(yīng)用于單快拍條件下對(duì)相干信號(hào)的來(lái)波方向的快速估計(jì)。
【IPC分類】G01S3-74
【公開(kāi)號(hào)】CN104698433
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510114319
【發(fā)明人】鄧超升, 朱立東, 陳天宇
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2015年3月16日