基于最小方差法矢量相关性的波达方向估计方法技术

本发明专利技术属于雷达信号处理技术领域，公开了一种基于最小方差法矢量相关性的波达方向估计方法，包括：设定雷达均匀线阵，根据雷达均匀线阵得到雷达接收数据，并根据雷达均匀线阵确定第一导向矢量和第二导向矢量；根据雷达接收数据，计算雷达接收数据的协方差矩阵，并对其求逆，得到雷达接收数据的协方差逆矩阵，从而确定雷达接收数据的协方差逆矩阵的算术平方根；根据第一导向矢量、第二导向矢量和雷达接收数据的协方差逆矩阵的算术平方根计算第一相关矢量和第二相关矢量，并构造空间谱函数；根据空间谱函数，对波达方向进行最大似然估计，得到波达方向的估计值；以提高角度分辨率和测向性能的稳健性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于雷达信号处理
，尤其涉及一种基于最小方差法矢量相关性的波达方向估计方法，可用于目标定位与跟踪。
技术介绍
以多重信号分类MUSIC和旋转不变子空间ESPRIT为代表的子空间类算法是信号波达方向DOA估计的最重要方法之一。这类算法根据已知信源数，利用信号子空间和噪声子空间之间的正交性估计DOA。由于信号子空间和噪声子空间在无噪声模型下是完全正交的，因此子空间类算法理论上可以无限靠近的两个目标实现分辨。虽然子空间类算法具有优良的超分辨估计性能，但它们几乎均需要已知信源数作为先验信息，通过特征值分解，再进行DOA估计。在信源数估计算法中，信息论准则AIC和最小描述长度准则MDL是较有效的，然而由于实际应用中采样点个数的限制，其估计性能随着信噪比SNR的降低而降低，错误概率相应增加，最终导致DOA估计方法失效。Capon提出了最小方差谱估计算法MVDR，避免了信源数的估计。Capon算法使噪声以及来自非信源方向上的任何信号所贡献的功率为最小，同时保持信源方向上的信号功率不变，但是其角度分辨率较低。然而，上述的超分辨算法的超分辨测向性能都是基于阵列流型准确已知的前提下得到的。但是在实际的工程应用中，真实的阵列流型往往会随着气候、环境以及器件本身的变化而出现一定程度的偏差。例如天线各个阵元电磁特性可能出现不一致、阵元之间存在耦合、阵元的真实位置与标称位置存在偏差等等。此时，这些超分辨测向算法的性能会严重恶化，甚至失效。
技术实现思路
针对上述已有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于最小方差法矢量相关性的波达方向估计方法，以提高角度分辨率和测向性能的稳健性。本专利技术实现的技术原理是：本专利技术利用θ方向上矢量以及其临近的θ′方向上矢量的相关性来表示θ方向上矢量的变化。利用矢量的变化来构造空间谱函数，利用空间谱函数的谱峰位置来进行波达方向的估计，提高其角度分辨率和测向性能的稳健性。为达到上述目的，本专利技术的实施例采用如下技术方案予以实现。一种基于最小方差法矢量相关性的波达方向估计方法，所述方法包括如下步骤：步骤1，设定雷达均匀线阵，根据所述雷达均匀线阵得到雷达接收数据，并根据所述雷达均匀线阵确定第一导向矢量a(θ)和第二导向矢量a(θ′)；θ与θ′的关系式为：sinθ＝sinθ′+ρ，ρ∈[10-8，10-4]；步骤2，根据所述雷达接收数据，计算雷达接收数据的协方差矩阵，并对其求逆，得到雷达接收数据的协方差逆矩阵，从而确定雷达接收数据的协方差逆矩阵的算术平方根；步骤3，根据第一导向矢量和雷达接收数据的协方差逆矩阵的算术平方根计算第一相关矢量；根据第二导向矢量和雷达接收数据的协方差逆矩阵的算术平方根计算第二相关矢量；步骤4，根据算术第一相关矢量和第二相关矢量，构造空间谱函数；步骤5，根据所述空间谱函数，对波达方向进行最大似然估计，得到波达方向的估计值。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：本专利技术由于利用了Capon算法中的矢量相关性来构造新的空间谱函数，与传统Capon算法相比不仅提高了测向性能的稳健性，而且实现了更高的测角分辨率和测角精度；本专利技术不需要预先判定信源数和特征值分解，与MUSIC算法相比，可以避免因信源数的估计错误而对波达方向估计性能的影响。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种基于最小方差法矢量相关性的波达方向估计方法的流程示意图；图2为在阵列无误差时，对Capon算法、MUSIC算法和本专利技术在信噪比SNR＝5dB时的空间谱仿真示意图；图3为在阵列无误差时，信噪比对Capon算法、MUSIC算法和本专利技术算法性能的影响仿真示意图；图4为在阵元存在随机幅相扰动时，对Capon算法、MUSIC算法和本专利技术在信噪比SNR＝5dB时的空间谱仿真示意图；图5为在阵元存在随机幅相扰动时，信噪比对Capon算法、MUSIC算法和本专利技术算法性能的影响仿真示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例提供一种基于最小方差法矢量相关性的波达方向估计方法，如图1所示，所述方法包括如下步骤：步骤1，设定雷达均匀线阵，根据所述雷达均匀线阵得到雷达接收数据，并根据所述雷达均匀线阵确定第一导向矢量a(θ)和第二导向矢量a(θ′)；θ与θ′的关系式为：sinθ＝sinθ′+ρ，ρ∈[10-8，10-4]。步骤1具体包括：(1a)设雷达均匀线阵中每个阵元的接收数据为xi(t)，i＝1，…，N，其中，N为雷达均匀线阵包含的阵元个数；雷达均匀线阵中所有阵元的接收数据依次排列，组成整个雷达均匀线阵的接收数据x(t)；(1b)根据雷达均匀线阵，确定第一导向矢量a(θ)和第二导向矢量a(θ′)；其中，a(θ)＝[1，ejκdsinθ，…，ejκ(N-1)dsinθ]T，a(θ′)＝[1，ejκdsinθ，…，ejκ(N-1)dsinθ]T；其中，θ为扫描角度，θ′为θ的临近方向，θ与θ′的关系式为：sinθ＝sinθ′+ρ，ρ∈[10-8，10-4]，a(θ)是角度为θ时的阵列导向矢量，a(θ′)是角度为θ′时的阵列导向矢量，N表示阵元数，κ为波数，d为阵元间距，j为虚数单位，e为自然常数，上标T表示转置。步骤2，根据所述雷达接收数据，计算雷达接收数据的协方差矩阵，并对其求逆，得到雷达接收数据的协方差逆矩阵，从而确定雷达接收数据的协方差逆矩阵的算术平方根。步骤2具体包括：(2a)根据雷达接收数据x(t)，利用最大似然估计得到雷达接收数据的协方差矩阵其中上标H表示共轭转置，x(tl)为第l次采样数据，l＝1，2…L，L为快拍数；(2b)对雷达接收数据的协方差矩阵求逆，得到雷达接收数据的协方差逆矩阵进而得到雷达接收数据的协方差逆矩阵的算术平方根步骤3，根据第一导向矢量和雷达接收数据的协方差逆矩阵的算术平方根计算第一相关矢量；根据第二导向矢量和雷达接收数据的协方差逆矩阵的算术平方根计算第二相关矢量。步骤3具体包括：(3a)根据第一导向矢量a(θ)和雷达接收数据的协方差逆矩阵的算术平方根计算第一相关矢量Ψ，(3b)根据第二导向矢量a(θ′)和雷达接收数据的协方差逆矩阵的算术平方根计算第二相关矢量Γ，其中，上标H表示共轭转置。步骤4，根据算术第一相关矢量和第二相关矢量，构造空间谱函数。步骤4具体为：(4a)根据第一相关矢量Ψ和第二相关矢量Γ，计算归一化相关系数α：α=ΨΓH||Ψ||22||Γ||22=aH(θ)R^-1a(θ′)aH(θ)R^-1a(θ)aH(θ′)R^-1a(θ′)]]>本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于最小方差法矢量相关性的波达方向估计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1，设定雷达均匀线阵，根据所述雷达均匀线阵得到雷达接收数据，并根据所述雷达均匀线阵确定第一导向矢量a(θ)和第二导向矢量a(θ')；θ为扫描角度，θ'为θ的临近方向，θ与θ'的关系式为：sinθ＝sinθ'+ρ，ρ∈[10‑8,10‑4]；步骤2，根据所述雷达接收数据，计算雷达接收数据的协方差矩阵，并对其求逆，得到雷达接收数据的协方差逆矩阵，从而确定雷达接收数据的协方差逆矩阵的算术平方根；步骤3，根据第一导向矢量和雷达接收数据的协方差逆矩阵的算术平方根计算第一相关矢量；根据第二导向矢量和雷达接收数据的协方差逆矩阵的算术平方根计算第二相关矢量；步骤4，根据算术第一相关矢量和第二相关矢量，构造空间谱函数；步骤5，根据所述空间谱函数，对雷达目标波达方向进行最大似然估计，得到雷达目标波达方向的估计值。

【技术特征摘要】
1.一种基于最小方差法矢量相关性的波达方向估计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1，设定雷达均匀线阵，根据所述雷达均匀线阵得到雷达接收数据，并根据所述雷达均匀线阵确定第一导向矢量a(θ)和第二导向矢量a(θ')；θ为扫描角度，θ'为θ的临近方向，θ与θ'的关系式为：sinθ＝sinθ'+ρ，ρ∈[10-8,10-4]；步骤2，根据所述雷达接收数据，计算雷达接收数据的协方差矩阵，并对其求逆，得到雷达接收数据的协方差逆矩阵，从而确定雷达接收数据的协方差逆矩阵的算术平方根；步骤3，根据第一导向矢量和雷达接收数据的协方差逆矩阵的算术平方根计算第一相关矢量；根据第二导向矢量和雷达接收数据的协方差逆矩阵的算术平方根计算第二相关矢量；步骤4，根据算术第一相关矢量和第二相关矢量，构造空间谱函数；步骤5，根据所述空间谱函数，对雷达目标波达方向进行最大似然估计，得到雷达目标波达方向的估计值。2.根据权利要求1所述的一种基于最小方差法矢量相关性的波达方向估计方法，其特征在于，步骤1具体包括：(1a)设雷达均匀线阵中每个阵元的接收数据为xi(t)，i＝1,…,N，其中，N为雷达均匀线阵包含的阵元个数；对雷达均匀线阵中N个阵元各自的接收数据依次排列，组成雷达均匀线阵的接收数据x(t)；(1b)根据雷达均匀线阵，确定第一导向矢量a(θ)和第二导向矢量a(θ')；其中，a(θ)＝[1,ejκdsinθ,…,ejκ(N-1)dsinθ]T，a(θ')＝[1,ejκdsinθ′,…,ejκ(N-1)dsinθ′]T；其中，θ为扫描角度，θ'为θ的临近方向，θ与θ'的关系式为：sinθ＝sinθ'+ρ，ρ∈[10-8,10-4]，a(θ)是角度为θ时的阵列导向矢量，a(θ')是角度为θ'时的阵列导向矢量，N表示雷达均匀线阵包含的阵元个数，κ为波数，d为阵元间距，j为虚数单位，e为自然常数，上标T表示转置。3.根据权利要求1所述的一种基于最小方差法矢量相关性的波达方向估计方法，其特征在于，步骤2具体包括：(2a...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈伯孝，余方伟，杨明磊，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61