本發(fā)明涉及信號處理，尤其涉及一種基于隨機子空間抓取技術(shù)的信號來波方向估計方法。

背景技術(shù)：

1、在陣列信號處理中，準確估計信號的來波方向(direction?of?arrival,doa)具有重要意義。傳統(tǒng)的doa估計方法如波束形成、capon最小方差無偏估計器等，雖然在某些情況下能夠取得較好的效果，但在處理復(fù)雜環(huán)境或多徑效應(yīng)時常常面臨準確性不足的問題。近年來，基于子空間的方法如論文a?signal?subspace?approach?to?multiple?emitterlocation?and?spectral?estimation中提出的music方法，以及論文modified?musicalgorithm?for?estimating?doa?of?signals和music及其改進算法的研究與實現(xiàn)中提出的改進的music方法，通過利用信號子空間和噪聲子空間的正交性，提高了doa估計的分辨率和準確性。然而此類方法在估計信號的來波方向時需要計算矩陣的特征值分解，這無疑增加了計算復(fù)雜度，弱化各來波信號能量強度，勢必會對來波方向估計造成影響。為了避免計算特征值分解，本發(fā)明引入隨機技術(shù)，提高運算速度，尤其在高維情形下能對信號來波作出快速響應(yīng)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于隨機子空間抓取技術(shù)的信號來波方向估計方法，為了避免進行特征值分解，本發(fā)明通過利用隨機信號子空間抓取技術(shù)快速獲得信號子空間，結(jié)合正交性從而獲取噪聲子空間，使得在計算復(fù)雜度和實現(xiàn)難度上更具優(yōu)勢，易于在實際通信系統(tǒng)中應(yīng)用。

2、為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用技術(shù)方案具體為：一種基于隨機子空間抓取技術(shù)的信號來波方向估計方法，包括如下步驟：

3、步驟1：根據(jù)接收信號計算協(xié)方差矩陣rxx；

4、步驟2：利用隨機抓取技術(shù)快速提取信號子空間us；

5、步驟3：確定噪聲子空間投影算子其中表示us的共軛轉(zhuǎn)置；

6、步驟4：根據(jù)如下的優(yōu)化問題：

7、

8、得到信號來波方向估計其中a(θ)＝(1,e-j2πdsinθ/λ,…,e-j(l-1)2πdsinθ/λ)t為方向向量，d為相鄰陣元間距，λ為信號波長，θ為信號波達方向。

9、進一步地，所述步驟1中，所述協(xié)方差矩陣rxx為：

10、rxx＝e(x(t)xh(t))＝arssah+σ2i,

11、式中x(t)＝(x1(t),x2(t),…,xl(t))t為接收信號向量，x(t)＝a(θ)s(t)+n(t)，s(t)為信號向量，n(t)為噪聲向量，a(θ)＝(a(θ1),a(θ2),…,a(θm))為l×m的空間陣列導(dǎo)向矢量陣，其中為方向向量，θi為第i個信號波達方向，rss＝e(s(t)sh(t))，σ2為噪聲方差，i為單位矩陣。

12、進一步地，所述步驟2中，所述信號子空間us的提取步驟如下：

13、步驟(1)隨機生成一個l×l矩陣ωi,0<l<l；

14、步驟(2)計算ui＝orth(rxxωi)，其中orth(·)表示對列空間進行標準正交化；

15、步驟(3)進行正交化修正

16、步驟(4)計算投影矩陣

17、步驟(5)計算剩余rxx＝rxx-uibi；

18、步驟(6)如果||rxx||2小于給定的閾值∈則終止計算，否則返回步驟(1)。信號子空間us＝[u1,u2,…,ui]。

19、進一步地，所述步驟4中，所述優(yōu)化問題可以轉(zhuǎn)化為計算如下的優(yōu)化問題：

20、

21、得到信號來波方向估計

22、進一步地，所述的提取信號子空間us的步驟(6)中,所述閾值∈根據(jù)干擾信號的具體情況來決定，控制在10-1至10-4之間。

23、進一步地，所述的優(yōu)化問題(2)中,所述信號來波方向估計可以通過等步長方法進行譜峰搜索，步長控制在1度左右。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

25、1、本發(fā)明利用隨機信號子空間抓取技術(shù)快速獲得信號子空間，具體為：首先隨機生成一個l×l矩陣ωi,0<l<l；接著通過ui＝orth(rxxωi)對協(xié)方差矩陣rxx進行列空間正交基隨機片段抓取，再不斷在剩余中進行抓取直至獲取列空間，顯然這比對矩陣rxx施行特征值分解要易于實施，而且計算量少尤其在維數(shù)較大時能快速響應(yīng)。

26、2、本發(fā)明在獲取信號子空間us后，結(jié)合正交性確定噪聲子空間投影算子提高噪聲子空間的精準度，無需冗余的特征值信息，實現(xiàn)難度上也具有明顯優(yōu)勢，能夠適應(yīng)復(fù)雜的通信環(huán)境，易于在實際通信系統(tǒng)中應(yīng)用。

27、3、本發(fā)明巧妙地利用酉矩陣性質(zhì)(us,un)(us,un)h＝i，由信號子空間us快速過渡到噪聲空間的投影，從而能迅速進行譜峰搜索。此技術(shù)手段大大簡化程序的實施，尤其適用于大型陣列系統(tǒng)的信號探測。

技術(shù)特征：

1.一種基于隨機子空間抓取技術(shù)的信號來波方向估計方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于隨機子空間抓取技術(shù)的信號來波方向估計方法，其特征在于，所述步驟1中協(xié)方差矩陣rxx為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于隨機子空間抓取技術(shù)的信號來波方向估計方法，其特征在于，所述步驟2中提取信號子空間us的步驟如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于隨機子空間抓取技術(shù)的信號來波方向估計方法，其特征在于，所述步驟4中優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為計算如下的優(yōu)化問題：

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于隨機子空間抓取技術(shù)的信號來波方向估計方法，其特征在于，所述的提取信號子空間us的步驟(6),所述閾值∈根據(jù)干擾信號的具體情況來決定，控制在10-1至10-4之間。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于隨機子空間抓取技術(shù)的信號來波方向估計方法，其特征在于，所述優(yōu)化問題(2),所述信號來波方向估計可以通過等步長方法進行譜峰搜索，步長控制在1度左右。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種基于隨機子空間抓取技術(shù)的信號來波方向估計方法，屬于信號處理技術(shù)領(lǐng)域。解決了現(xiàn)有技術(shù)在高維情形下響應(yīng)速度不夠快的技術(shù)問題。其技術(shù)方案為：包括以下步驟：步驟1：根據(jù)接收信號計算協(xié)方差矩陣；步驟2：利用隨機抓取技術(shù)快速提取信號子空間；步驟3：確定噪聲子空間投影算子；步驟4：求解特定的優(yōu)化問題得到信號來波方向估計。本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明不僅具有較好的魯棒性，能夠適應(yīng)復(fù)雜的通信環(huán)境而且在計算復(fù)雜度和實現(xiàn)難度上也具有明顯優(yōu)勢，易于在實際通信系統(tǒng)中應(yīng)用。

技術(shù)研發(fā)人員：徐相建,莊勛
受保護的技術(shù)使用者：南通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/12