信源數(shù)未知的相干信號(hào)測向方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種信源數(shù)未知的相干信號(hào)測向方法及系統(tǒng)，該相干信號(hào)測向方法包括初始化步驟、四階累積量矩陣計(jì)算步驟、構(gòu)造Toeplitz矩陣步驟、構(gòu)造中間變量步驟、功率譜計(jì)算步驟、搜索步驟。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過構(gòu)造一組基于四階累積量的Toeplitz矩陣對(duì)相干信號(hào)進(jìn)行解相關(guān)，由于Toeplitz矩陣具有聯(lián)合對(duì)角化結(jié)構(gòu)，所以不需要任何有關(guān)信源數(shù)目的先驗(yàn)知識(shí)，本發(fā)明設(shè)計(jì)出了一種新的代價(jià)函數(shù)，能有效地估計(jì)出波達(dá)方向。
【專利說明】信源數(shù)未知的相干信號(hào)測向方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其涉及信源數(shù)未知的相干信號(hào)測向方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 利用空間分布的傳感器陣列測向是雷達(dá)、聲吶、無線通信等應(yīng)用中的重要任務(wù)。目 前，提出了許多波達(dá)方向估計(jì)算法，其中，基于子空間的算法，例如esprit和MUSIC算法在 假設(shè)條件滿足的情況下為估計(jì)波達(dá)方向提供了一個(gè)很好的解決方案。其假設(shè)條件為，信源 數(shù)目已知，信源互不相關(guān)或部分相關(guān)且噪聲是空間不相關(guān)的白噪聲，即協(xié)方差矩陣與單位 矩陣成正比。當(dāng)任何一個(gè)假設(shè)條件不成立時(shí)，基于子空間算法的性能將嚴(yán)重下降。
[0003] 實(shí)際情況中，信源數(shù)目往往是未知的。最常用的信源數(shù)估計(jì)方法是赤池信息量準(zhǔn) 則（AIC)和最小描述準(zhǔn)則（MDL)，然而，當(dāng)采樣數(shù)太小或信噪比太低時(shí)，這兩種估計(jì)方法并 不適用。盡管后來提出了各種改進(jìn)的算法，但在一些極端的條件下，尤其是未知噪聲性質(zhì) 時(shí)，其正確檢測的概率仍然很低。
[0004] 實(shí)際傳輸過程中由于多路徑傳播的影響，接收的數(shù)據(jù)中包含了許多相干信號(hào)而導(dǎo) 致信源協(xié)方差矩陣是秩虧的，這意味著基于子空間的方法中信源互不相關(guān)的假設(shè)條件無法 成立。在這種情況下，空間平滑技術(shù)（SS)及其改進(jìn)算法被提出來解決了信號(hào)相干的問題， 這些算法對(duì)信源協(xié)方差矩陣做了預(yù)處理，將陣列分成多個(gè)子陣并求平均使得輸出的協(xié)方差 矩陣滿秩，滿足了子空間算法的假設(shè)條件。
[0005] 眾所周知，大多數(shù)假設(shè)噪聲為空間不相關(guān)的D0A估計(jì)算法對(duì)噪聲模型很敏感。盡 管如此，當(dāng)已知協(xié)方差矩陣時(shí)，空間相關(guān)的噪聲很容易通過預(yù)白化處理來滿足不相關(guān)條件。 但實(shí)際情況下，有限的觀測值計(jì)算得到的噪聲協(xié)方差矩陣并不精確。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供了一種信源數(shù)未知的相干信號(hào)測向方 法。
[0007] 本發(fā)明提供了一種無需信源數(shù)估計(jì)的相千信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)方法，包括如下步 驟：
[0008] 初始化步驟：考慮一具有（2M+1)個(gè)陣元的均勻線陣，假設(shè)有P (P彡M+1)個(gè)窄帶遠(yuǎn) 場信號(hào)從不同方向{ Θ i，…，Θ p}入射到該陣列，前K個(gè)信號(hào)是互相關(guān)的，其余（P-K)個(gè)信號(hào) 是互不相關(guān)的并且獨(dú)立于前K個(gè)信號(hào)，X(t)表示接收樣本數(shù)據(jù)；
[0009] 四階累積量矩陣計(jì)算步驟：計(jì)算樣本X(t)的（2M+1) (M+1)個(gè)四階累積量矩陣， Ci； j, -Μ ^ i ^ j ^ Μ ；
[0010] 構(gòu)造 Toeplitz矩陣步驟：對(duì)每個(gè)累積量矩陣的前（Μ+1)行構(gòu)造（Μ+1)個(gè)Toeplitz 矩陣 Ο Η Loon]構(gòu)造中間變量步驟：計(jì)算矩陣1= ^ € δ? €€__?Μ+1>和 ?.μ ：
[0012]

【權(quán)利要求】
1. 一種信源數(shù)未知的相干信號(hào)測向方法，其特征在于，包括如下步驟： 初始化步驟：考慮一具有（2M+1)個(gè)陣元的均勻線陣，假設(shè)有P(P彡M+1)個(gè)窄帶遠(yuǎn)場信 號(hào)從不同方向{ Θ i，…，Θ p}入射到該陣列，前K個(gè)信號(hào)是互相關(guān)的，其余（P-K)個(gè)信號(hào)是互 不相關(guān)的并且獨(dú)立于前K個(gè)信號(hào)，x(t)表示接收樣本數(shù)據(jù)； 四階累積量矩陣計(jì)算步驟：計(jì)算樣本x(t)的（2M+1)(M+1)個(gè)四階累積量矩陣， Ci;J，-M 彡 i 彡 j 彡 Μ ; 構(gòu)造 Toeplitz矩陣步驟：對(duì)每個(gè)累積量矩陣的前（Μ+1)行構(gòu)造（Μ+1)個(gè)Toeplitz矩 陣觀一I 構(gòu)造中間變量步驟：計(jì)算矩陣1

e(++vm)x<Aill\ 其中
功率譜計(jì)算步驟：通過公式
搜索步驟：搜索Θ，找到Ρ( Θ )的峰值對(duì)應(yīng)的角度即為D0A的估計(jì)值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相干信號(hào)測向方法，其特征在于，在所述初始化步驟中：考 慮一具有（2M+1)陣元的均勻線陣（ULA)，假設(shè)有P(P彡M+1)個(gè)遠(yuǎn)場窄帶信號(hào)從不同方向 { Θ i，…，Θ p}入射到該陣列，前K個(gè)信號(hào)是互相干的，其余（P-K)信號(hào)均是互不相關(guān)的且獨(dú) 立于前K個(gè)信號(hào)，令第一個(gè)信號(hào)屯(t)作為參考信號(hào)，則第k個(gè)相干信號(hào)可以表示為：
(1) 其中，幅度衰減因子，s 是相位變化。實(shí)際上，δ φ,不會(huì)影響信號(hào)之間的相干 性，不失一般性，令S (^ = 〇，1^ = 2，?，1(，第111個(gè)陣元所接收的信號(hào)可以表示為
(2) 其中，Si(t)是第i個(gè)信號(hào)的復(fù)包絡(luò)，β1 = 1，λ是載波波長，Λ =入/2是陣元間間 距，（2)式可改寫為向量形式： X (?) 一 [X-M (t)，·*·，Χ〇(?)，···，Xm (t)] (3) =Ad(t)+n(t) 其中S(t) = [Si⑴，…，Sp⑴]T是源信號(hào)向量，A= [a(0i)，H%a(0p)]是陣列流行， 其中，第P個(gè)導(dǎo)向矢量可以表示為：
(4)
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的相干信號(hào)測向方法，其特征在于，在所述四階累積量矩陣計(jì) 算步驟中，零均值平穩(wěn)信號(hào)的四階累積量定義如下：
(8) 其中，-M彡 M; 定義一個(gè)MXM的累積量矩陣CM:，它的第（11; 12)個(gè)元素為 Cfc (/, M) = cuml-T^ (〇, xl (?), .τ/： (?), xi (?)). (9) 累積-Μ彡lphS Μ范圍內(nèi)的元素得到
其中 (11) 是第Ρ個(gè)信源的四階累積量。在-Μ彡li，12彡Μ范圍 內(nèi)，總共可以得到（2Μ+1)2個(gè)累積量矩陣，然而，由CM:是中心厄米特矩陣可知
(12) 即包含相同的數(shù)據(jù)信息，對(duì)應(yīng)的特征向量和特征值也相同。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相干信號(hào)測向方法，其特征在于，在所述構(gòu)造 Toeplitz矩 陣步驟中，考慮（2M+1)均勻線陣，利用四階累積量技術(shù)構(gòu)造（2M+1) (M+1)2個(gè)Toeplitz矩 陣；在所述構(gòu)造中間變量步驟中，利用（2M+1) (M+1)2個(gè)Toeplitz矩陣構(gòu)造出中間變量F和 G( Θ )。
5. -種信源數(shù)未知的相干信號(hào)測向系統(tǒng)，其特征在于，包括： 初始化單元：用于考慮一具有（2M+1)個(gè)陣元的均勻線陣，假設(shè)有P(P彡M+1)個(gè)窄帶遠(yuǎn) 場信號(hào)從不同方向{ Θ i，…，Θ p}入射到該陣列，前K個(gè)信號(hào)是互相關(guān)的，其余（P-K)個(gè)信號(hào) 是互不相關(guān)的并且獨(dú)立于前K個(gè)信號(hào)，x(t)表示接收樣本數(shù)據(jù)； 四階累積量矩陣計(jì)算單元：用于計(jì)算樣本x(t)的（2M+1)(M+1)個(gè)四階累積量矩陣， Ci;J，-Μ 彡 i 彡 j 彡 Μ ; 構(gòu)造 Toeplitz矩陣單元：用于對(duì)每個(gè)累積量矩陣的前（Μ+1)行構(gòu)造（Μ+1)個(gè)Toeplitz 矩陣 構(gòu)造中間變量單元：用于計(jì)算矩陣

Ci-，其中 功率譜計(jì)算單元：用于通過公式
搜索單元：用于搜索Θ，找到Ρ( Θ )的峰值對(duì)應(yīng)的角度即為D0A的估計(jì)值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的相干信號(hào)測向系統(tǒng)，其特征在于，在所述初始化單元中：考 慮一具有（2M+1)陣元的均勻線陣（ULA)，假設(shè)有P(P彡M+1)個(gè)遠(yuǎn)場窄帶信號(hào)從不同方向 { Θ i，…，Θ p}入射到該陣列，前K個(gè)信號(hào)是互相干的，其余（P-K)信號(hào)均是互不相關(guān)的且獨(dú) 立于前K個(gè)信號(hào)，令第一個(gè)信號(hào)屯(t)作為參考信號(hào)，則第k個(gè)相干信號(hào)可以表示為： & ? = 2,…(1) 其中，幅度衰減因子，S Φ,是相位變化。實(shí)際上，δ Φ,不會(huì)影響信號(hào)之間的相干 性，不失一般性，令s (K = 〇，k = 2, ···，!(，第m個(gè)陣元所接收的信號(hào)可以表示為
(2) 其中，Si(t)是第i個(gè)信號(hào)的復(fù)包絡(luò)，β1 = 1，λ是載波波長，Λ =入/2是陣元間間 距，（2)式可改寫為向量形式： X (t) - [X-M (t)，...，X〇(t)，...，Xj( (t)] (3) =Ad (t) +n (t) 其中S(t) = [Si⑴，…，Sp⑴]T是源信號(hào)向量，A= [a(0i)，H%a(0p)]是陣列流行， 其中，第P個(gè)導(dǎo)向矢量可以表示為：
(4) 〇
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的相干信號(hào)測向系統(tǒng)，其特征在于，在所述四階累積量矩陣計(jì) 算步驟中，零均值平穩(wěn)信號(hào)的四階累積量定義如下：
(8) 其中，-Μ彡 Μ; 定義一個(gè)ΜΧΜ的累積量矩陣它的第（11; 12)個(gè)元素為 C*,,? ft Α) = ?ιηι(^； (〇,xl(t),χι； (?),χ[ (〇), (9) 累積-Μ彡lphS Μ范圍內(nèi)的元素得到 C*|i2 = cumCx^ {l),xkz{i)Mt)S {〇)
r4..v = 是第p個(gè)信源的四階累積量。在-μ< l" i2 < m范圍 其中 (11) 內(nèi)，總共可以得到（2M+1)2個(gè)累積量矩陣，然而，由CM:是中心厄米特矩陣可知
(12) 即CMdPC%t，包含相同的數(shù)據(jù)信息，對(duì)應(yīng)的特征向量和特征值也相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的相干信號(hào)測向系統(tǒng)，其特征在于，在所述構(gòu)造 Toeplitz矩 陣單元中，考慮（2M+1)均勻線陣，利用四階累積量技術(shù)構(gòu)造（2M+1) (M+1)2個(gè)Toeplitz矩 陣；在所述構(gòu)造中間變量單元中，利用（2M+1) (M+1)2個(gè)Toeplitz矩陣構(gòu)造出中間變量F和 G( Θ )。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104298850SQ201410345535
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】黃磊, 錢誠, 蔣雙, 楊云川 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院