一种基于均匀圆阵差分相位的单分布源DOA估计方法技术

本发明专利技术涉及阵列信号处理技术领域，尤其涉及对无线信号源的DOA估计，特别涉及一种基于均匀圆阵差分相位的单分布源DOA估计方法。一种基于均匀圆阵差分相位的单分布源DOA估计方法，包括：通过均匀圆阵各阵元的输出信号，计算相应的协方差矩阵；提取协方差矩阵的严格上三角元素相位，并进行矢量化处理，得到差分相位矢量；通过最小二乘估计得到单分布源的中心方位角估计和中心俯仰角估计。本发明专利技术通过最小二乘方法直接得到二维DOA的闭式解，避免了谱峰搜索和特征值分解运算，大幅度降低了复杂度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于均匀圆阵差分相位的单分布源DOA估计方法
本专利技术涉及阵列信号处理
，尤其涉及对无线信号源的DOA估计，特别涉及一种基于均匀圆阵差分相位的单分布源DOA估计方法。
技术介绍
在雷达、声纳和移动通信等应用领域中，发射的信号时常会受到复杂环境散射和反射等影响，使得天线阵列接收到的信号能量在空间某一范围呈现一定分布。此时，基于点源模型假设的传统波达方向(directionofarrival，简记为DOA)估计算法性能会严重恶化，而需要采用参数化的分布式信源模型进行处理。根据同一信源不同路径分量是否相关，分布源主要包括两类：相干分布源(coherentlydistributedsource,简记为CD)和非相干分布源(incoherentlydistributedsource,简记为ID)。对于CD源，同一信源不同路径分量仅相差一个固定的相位延迟和幅度加权；与之相反，同一ID源的不同路径分量则完全不相关。近年来，分布源的DOA估计研究得到了广泛关注，相关学者陆续提出了一系列有效的估计方法，比如子空间类方法、波束形成类方法、最大似然类方法和稀疏重构类方法等。然而这些方法均只适用于一维分布源，在实际应用中，信号源与接收阵列往往不在同一平面上，这种情况下需要将其建立为一个二维分布源模型。一个二维分布源主要包括四个未知角度参数：中心方位角，方位角扩展，中心俯仰角和俯仰角扩展。尽管上述的某些一维估计方法可以直接推广到二维，如二维协方差匹配方法等，这些方法由于需要多维参数搜索复杂度较高。为解决此类问题，相关学者基于一些特定的阵列结构研究了分布源的近似简化模型，并提出了一些低复杂度的二维DOA估计方法，如基于三平行线阵的二维传播算子方法，基于矩形阵的二维旋转不变子空间(rotationinvariantsubspace，简记为ESPRIT)方法和基于对称十字阵的二维广义ESPRIT方法等。特别地，均匀圆阵(uniformcirculararray，简记为UCA)相比于其他阵列结构具有的全方位角覆盖、几乎不变的方向图以及额外的俯仰角信息等优点，基于UCA的分布源二维DOA估计成为了研究热点。现有的研究成果有：有学者首次基于空间距离相近的两个UCA，提出了一种估计二维CD源DOA的一维交替搜索(sequentialone-dimensionalsearching，简记为SOS)方法，该方法首先基于一阶泰勒(Taylor)级数展开得到两个子阵间的近似旋转不变关系，接下来利用总体最小二乘旋转不变子空间(totalleastsquaresrotationinvariantsubspace，简记为TLS-ESPRIT)算法得到中心俯仰角估计，最后通过多次一维搜索得到中心方位角估计。该方法只需要一维搜索，但俯仰角的初始估计精度对算法性能影响较大，并且靠地很近的两个子阵容易产生互耦误差，降低了估计精度。在此基础上，有学者仅利用单个对称UCA，提出了一种基于广义ESPRIT的二维DOA估计方法，该方法无须角信号分布函数先验已知，但需要二维搜索，复杂度较高。然而这些方法都是针对CD源的研究，而对于UCA中的ID源二维DOA估计问题，相关学者也取得了一些研究成果。有学者同样基于靠地很近的两个UCA，首先根据子阵间的近似旋转不变关系得到中心俯仰角估计，进而在单个UCA中，通过广义多重信号分类(generalizedmultiplesignalclassification,简记为GMUSIC)方法实现了中心方位角估计。进一步，有学者考虑由多个UCA组成的均匀圆柱阵列(uniformcylindricalarray,简记为UCyA)，提出了一种低复杂的波束空间二维DOA估计方法，该方法估计中心俯仰角的方法与上述GMUSIC方法类似，但是在波束域进行计算，并且通过波束域GMUSIC(beamspaceGMUSIC,简记为BS-GMUSIC)方法得到了中心方位角估计，具有较低的计算复杂度。尽管如此，在上述方法中，复杂度较高的谱峰搜索和特征值分解运算依旧无法避免，所以复杂度仍有待降低。此外，SOS、GMUSIC和BS-GMUSIC方法均需要多个UCA，阵列结构的硬件复杂度较高，不利于工程实践。
技术实现思路
针对DOA估计存在的问题，本专利技术针对单个分布源入射的情况，提出了一种基于均匀圆阵差分相位的单分布源DOA估计方法，通过最小二乘方法直接得到二维DOA的闭式解，避免了谱峰搜索和特征值分解运算，降低了复杂度。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于均匀圆阵差分相位的单分布源DOA估计方法，包括以下步骤：步骤1：通过均匀圆阵各阵元的输出信号，计算相应的协方差矩阵；步骤2：提取协方差矩阵的严格上三角元素相位，并进行矢量化处理，得到差分相位矢量；步骤3：通过最小二乘估计得到单分布源的中心方位角估计和中心俯仰角估计。优选地，在所述步骤1之前，还包括：对均匀圆阵各阵元的原始观测数据进行采样。优选地，所述输出信号为：其中，xm(t)为t时刻均匀圆阵第m个阵元的输出信号，γm＝2π(m-1)/M，M为均匀圆阵总阵元数；λ为入射信号波长；t＝1,2,…,T为采样时刻，T为快拍总数；为分布源的角信号密度函数；为分布源的角度参数矢量，其中θ0为中心方位角，为方位角扩展，为中心俯仰角，为俯仰角扩展；nm(t)是均值为0，方差为的高斯白噪声，θ为方位角，为俯仰角。优选地，所述协方差矩阵为：R＝E[x(t)xH(t)]其中，x(t)为输出信号矢量。优选地，所述差分相位矢量为：W＝Av其中，W为差分相位矢量，r为均匀圆阵的半径。优选地，所述最小二乘估计通过以下公式进行计算：其中，是对v的估计，和分别是对v的两个元素对应的估计。优选地，所述单分布源的中心方位角估计为：优选地，所述单分布源的中心俯仰角估计为：与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：1.本专利技术基于均匀圆阵，实现对分布源的波达方向快速估计，主要通过采集观测数据、计算协方差矩阵、矢量化矩阵元素相位，以及最小二乘得到闭式解四步最终实现对分布源波达方向的有效估计。2.本专利技术基于空间频率近似模型，通过获取差分相位即可实现中心波达角的解耦合；通过提取采样协方差矩阵的严格上三角元素相位，即对应于各阵元间的差分相位，并进行矢量化处理，最终将波达方向估计问题转化为一个最小二乘问题，从而直接得到闭式解，避免了谱峰搜索和特征值分解运算，大幅度降低了复杂度。3.本专利技术所提方法能够实现对单个分布源的波达方向高精度估计，并且无需角信号分布的先验信息。附图说明图1为本专利技术一种基于均匀圆阵差分相位的单分布源DOA估计方法的基本流程示意图之一。图2为本专利技术一种基于均匀圆阵差分相位的单分布源DOA估计方法的基本流程示意图之二。图3为本专利技术一种基于均匀圆阵差分相位的单分布源DOA估计方法的均匀圆阵示意图。具体实施方式为了便于理解，对本专利技术的具体实施方式中出现的部分名词作以下解释说明：DOA估计：波达方向(DirectionOfArrival)估计，又称为谱估计(spectralestimation)、波达角(AngleOfArrival)估计。下面结合附图和具体的实施例对本专利技术做进一步的解释说明：实施例一：如图1所示，本专利技术的一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于均匀圆阵差分相位的单分布源DOA估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：通过均匀圆阵各阵元的输出信号，计算相应的协方差矩阵；步骤2：提取协方差矩阵的严格上三角元素相位，并进行矢量化处理，得到差分相位矢量；步骤3：通过最小二乘估计得到单分布源的中心方位角估计和中心俯仰角估计。

【技术特征摘要】
1.一种基于均匀圆阵差分相位的单分布源DOA估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：通过均匀圆阵各阵元的输出信号，计算相应的协方差矩阵；步骤2：提取协方差矩阵的严格上三角元素相位，并进行矢量化处理，得到差分相位矢量；步骤3：通过最小二乘估计得到单分布源的中心方位角估计和中心俯仰角估计。2.根据权利要求1所述的一种基于均匀圆阵差分相位的单分布源DOA估计方法，其特征在于，在所述步骤1之前，还包括：对均匀圆阵各阵元的原始观测数据进行采样。3.根据权利要求1所述的一种基于均匀圆阵差分相位的单分布源DOA估计方法，其特征在于，所述输出信号为：其中，xm(t)为t时刻均匀圆阵第m个阵元的输出信号，γm＝2π(m-1)/M，M为均匀圆阵总阵元数；λ为入射信号波长；t＝1,2,…,T为采样时刻，T为快拍总数；为分布源的角信号密度函数；为分布源的角度参数矢量，其中θ0为中心方位角，为方位角扩展，为中心俯仰角，为俯仰角扩展；nm(t)是均值为0，方差为的高斯白噪声，θ为方位角，为俯仰角。4.根据权利要求1所述的一种基于均匀圆阵差分相位的单分布源DOA估计方法，其特征在于，所述协方差矩阵为：R＝E[x(t)xH(t)]其中，x(t)为输出信号矢量。5.根据权利要求1所述的一种基于均匀圆阵差分相位的单分布源DOA估计方法，其特征在于，所述差分相位矢量为：W＝Av

【专利技术属性】
技术研发人员：代正亮，巴斌，崔维嘉，王大鸣，张彦奎，逯志宇，
申请(专利权)人：中国人民解放军信息工程大学，
类型：发明
国别省市：河南,41