基于互素阵列的相关信号波达方向估计方法及系统技术方案

本发明专利技术提供的一种基于互素阵列的相关信号波达方向估计方法及系统，对互素阵列所接受到的信号进行采样获得时域离散信号；再通过设定子阵列的阵元数，根据时域离散信号获得子阵列信号的四阶累积量，将子阵列信号的四阶累积量进行前后向平滑处理后获得平滑后的四阶累积量；对平滑后的四阶累积量进行特征值分解获得投影算子，最终利用Root‑MUSIC算法根据所有投影算子估计信号的波达方向。该方法及系统通过结合互素阵列和四阶累积量进行信号波达方向估计，在不增加阵元数目的情况下能够有效确保估计结果的精度，在信号个数多于阵元数目时具有较好的效果；且能够有效解除信号相关，增强了对信号的空间分辨力，能够适用于各种复杂的环境。

【技术实现步骤摘要】
基于互素阵列的相关信号波达方向估计方法及系统
本专利技术涉及信号处理
，更具体地，涉及一种基于互素阵列的相关信号波达方向估计方法及系统。
技术介绍
在阵列信号处理中，波达方向(Direction-of-Arrival，DOA)估计是一种确定信号方向，估计信源位置的有效的方法，在雷达、通信、医学等领域都有应用。在DOA估计领域中，以多重信号分类(MUltipleSignalClassification，MUSIC)算法为代表的子空间方法得到了广泛的应用。MUSIC算法通过对信号的相关矩阵进行分解，得到正交的信号子空间与噪声子空间，具有空域超分辨的特性，因此被广泛应用。然而，在传统的MUSIC算法中，通常需要大量的采样数据，以保证算法的估计精度；同时为了获得大量的采样数据，通常需增加阵元的数量。通过增加阵元的数量虽然可以提高MUSIC算法的估计精度，但这种方式不仅增加了接收数据量，而且给数据传输、存储和处理带来了巨大的压力，从而使得硬件的实现难度加大，难以满足实际的工程需求。有鉴于此，在不增加阵元数量的情况下，亟需提供一种能够确保估计精度的信号波达方向估计方法及系统。
技术实现思路
本专利技术为了克服现有技术中利用传统的DOA估计方法进行信号波达方向估计通常需增加阵元的数量以确保估计精度，导致难以适用于复杂应用环境的问题，提供一种基于互素阵列的相关信号波达方向估计方法及系统。一方面，本专利技术提供一种基于互素阵列的相关信号波达方向估计方法，包括：按照时域对预设数量的目标阵列所接收到的信号进行采样，获得每个目标阵列对应的时域离散信号，其中每两个目标阵列互为互素阵列；对于任意一个目标阵列，设定该目标阵列的子阵列的阵元数，根据子阵列的阵元数从该目标阵列对应的时域离散信号中获取该目标阵列的所有子阵列对应的子阵列信号；对于任意两个目标阵列，根据该两个目标阵列的所有子阵列对应的子阵列信号获得该两个目标阵列对应的平滑后的四阶累积量矩阵；对每个平滑后的四阶累积量矩阵进行特征值分解获得每个平滑后的四阶累积量矩阵对应的投影算子；利用Root-MUSIC算法根据所有投影算子估计信号的波达方向。优选地，根据子阵列的阵元数从该目标阵列对应的时域离散信号中获取该目标阵列的所有子阵列对应的子阵列信号，具体为：对于任意一个目标阵列，将该目标阵列对应的子阵列的阵元数作为目标数量，在该目标阵列的所有阵元中，将目标数量的相邻阵元进行组合，获得该目标阵列的所有子阵列；从该目标阵列对应的时域离散信号中分离出每个子阵列对应的子阵列信号，获得该目标阵列的所有子阵列对应的子阵列信号。优选地，根据该两个目标阵列的所有子阵列对应的子阵列信号获得该两个目标阵列对应的平滑后的四阶累积量矩阵，具体为：对于任意两个目标阵列，从该两个目标阵列各自的子阵列中随机选取一个子阵列进行两两组合，获得多个子阵列组合，对于任意一个子阵列组合，根据该子阵列组合中的所有子阵列对应的子阵列信号获得该子阵列组合对应的四阶累积量矩阵；将所有子阵列组合对应的四阶累积量矩阵进行前后向平滑处理，获得该两个目标阵列对应的平滑后的四阶累积量矩阵。优选地，根据该子阵列组合中的所有子阵列对应的子阵列信号获得该子阵列组合对应的四阶累积量矩阵，具体计算公式为：其中，x1a(t)为目标阵列1的子阵列a对应的子阵列信号；x2b(t)为目标阵列2的子阵列b对应的子阵列信号；Rab为子阵列a和子阵列b构成的子阵列组合对应的四阶累积量矩阵。优选地，将所有子阵列组合对应的四阶累积量矩阵进行前后向平滑处理，获得该两个目标阵列对应的平滑后的四阶累积量矩阵，具体计算公式为：其中，R12为目标阵列1和目标阵列2对应的平滑后的四阶累积量；a为目标阵列1的任意一个子阵列；b为目标阵列2的任意一个子阵列；N1为目标阵列1的阵元数；M1为目标阵列1的每个子阵列的阵元数；N2为目标阵列2的阵元数；M2为目标阵列2的每个子阵列的阵元数；J为反对角阵元素为1的置换矩阵。优选地，对每个平滑后的四阶累积量矩阵进行特征值分解获得每个平滑后的四阶累积量矩阵对应的投影算子，具体为：对于任意一个平滑后的四阶累积量矩阵，对该平滑后的四阶累积量矩阵进行特征值分解，获得多个特征向量；根据所有特征向量的特征值从所有特征向量中筛选出满足预设条件的特征向量，作为目标特征向量；将所有目标特征向量组合成目标矩阵，根据目标矩阵获得该平滑后的四阶累积量矩阵对应的投影算子。优选地，利用Root-MUSIC算法根据所有投影算子估计信号的波达方向，具体为：对于任意一个投影算子，利用预设函数构造方法构造该投影算子对应的多项式函数；根据所有投影算子对应的多项式函数建立目标方程，求解目标方程，获得分布在单位圆上的方程根；根据方程根估计信号的波达方向。一方面，本专利技术提供一种基于互素阵列的相关信号波达方向估计系统，包括：信号采集模块，用于按照时域对预设数量的目标阵列所接收到的信号进行采样，获得每个目标阵列对应的时域离散信号，其中每两个目标阵列互为互素阵列；信号预处理模块，用于对于任意一个目标阵列，设定该目标阵列的子阵列的阵元数，根据子阵列的阵元数从该目标阵列对应的时域离散信号中获取该目标阵列的所有子阵列对应的子阵列信号；平滑计算模块，用于对于任意两个目标阵列，根据该两个目标阵列的所有子阵列对应的子阵列信号获得该两个目标阵列对应的平滑后的四阶累积量矩阵；特征值分解模块，用于对每个平滑后的四阶累积量矩阵进行特征值分解获得每个平滑后的四阶累积量矩阵对应的投影算子；波达方向估计模块，用于利用Root-MUSIC算法根据所有投影算子估计信号的波达方向。一方面，本专利技术提供一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行上述任一所述的方法。一方面，本专利技术提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述任一所述的方法。本专利技术提供的一种基于互素阵列的相关信号波达方向估计方法及系统，对互素阵列所接受到的信号进行采样获得时域离散信号；再通过设定子阵列的阵元数，根据时域离散信号获得子阵列信号的四阶累积量，将子阵列信号的四阶累积量进行前后向平滑处理后获得平滑后的四阶累积量；对平滑后的四阶累积量进行特征值分解获得投影算子，最终利用Root-MUSIC算法根据所有投影算子估计信号的波达方向。该方法及系统通过结合互素阵列和四阶累积量进行信号波达方向估计，在不增加阵元数目的情况下能够有效确保估计结果的精度，在信号个数多于阵元数目时具有较好的效果；且能够有效解除信号相关，增强了对信号的空间分辨力，能够适用于各种复杂的环境，可有效满足各种实际工程需求。附图说明图1为本专利技术实施例的一种基于互素阵列的相关信号波达方向估计方法的整体流程示意图；图2为本专利技术实施例的一种基于互素阵列的相关信号波达方向估计系统的整体结构示意图；图3为本专利技术实施例的一种电子设备的结构框架示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。图1为本专利技术实施例的一种基于互素阵列的相关信号波达方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于互素阵列的相关信号波达方向估计方法，其特征在于，包括：按照时域对预设数量的目标阵列所接收到的信号进行采样，获得每个目标阵列对应的时域离散信号，其中每两个目标阵列互为互素阵列；对于任意一个目标阵列，设定该目标阵列的子阵列的阵元数，根据子阵列的阵元数从该目标阵列对应的时域离散信号中获取该目标阵列的所有子阵列对应的子阵列信号；对于任意两个目标阵列，根据该两个目标阵列的所有子阵列对应的子阵列信号获得该两个目标阵列对应的平滑后的四阶累积量矩阵；对每个平滑后的四阶累积量矩阵进行特征值分解获得每个平滑后的四阶累积量矩阵对应的投影算子；利用Root‑MUSIC算法根据所有投影算子估计信号的波达方向。

【技术特征摘要】
1.一种基于互素阵列的相关信号波达方向估计方法，其特征在于，包括：按照时域对预设数量的目标阵列所接收到的信号进行采样，获得每个目标阵列对应的时域离散信号，其中每两个目标阵列互为互素阵列；对于任意一个目标阵列，设定该目标阵列的子阵列的阵元数，根据子阵列的阵元数从该目标阵列对应的时域离散信号中获取该目标阵列的所有子阵列对应的子阵列信号；对于任意两个目标阵列，根据该两个目标阵列的所有子阵列对应的子阵列信号获得该两个目标阵列对应的平滑后的四阶累积量矩阵；对每个平滑后的四阶累积量矩阵进行特征值分解获得每个平滑后的四阶累积量矩阵对应的投影算子；利用Root-MUSIC算法根据所有投影算子估计信号的波达方向。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据子阵列的阵元数从该目标阵列对应的时域离散信号中获取该目标阵列的所有子阵列对应的子阵列信号，具体为：对于任意一个目标阵列，将该目标阵列对应的子阵列的阵元数作为目标数量，在该目标阵列的所有阵元中，将目标数量的相邻阵元进行组合，获得该目标阵列的所有子阵列；从该目标阵列对应的时域离散信号中分离出每个子阵列对应的子阵列信号，获得该目标阵列的所有子阵列对应的子阵列信号。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据该两个目标阵列的所有子阵列对应的子阵列信号获得该两个目标阵列对应的平滑后的四阶累积量矩阵，具体为：对于任意两个目标阵列，从该两个目标阵列各自的子阵列中随机选取一个子阵列进行两两组合，获得多个子阵列组合，对于任意一个子阵列组合，根据该子阵列组合中的所有子阵列对应的子阵列信号获得该子阵列组合对应的四阶累积量矩阵；将所有子阵列组合对应的四阶累积量矩阵进行前后向平滑处理，获得该两个目标阵列对应的平滑后的四阶累积量矩阵。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据该子阵列组合中的所有子阵列对应的子阵列信号获得该子阵列组合对应的四阶累积量矩阵，具体计算公式为：其中，x1a(t)为目标阵列1的子阵列a对应的子阵列信号；x2b(t)为目标阵列2的子阵列b对应的子阵列信号；Rab为子阵列a和子阵列b构成的子阵列组合对应的四阶累积量矩阵。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将所有子阵列组合对应的四阶累积量矩阵进行前后向平滑处理，获得该两个目标阵列对应的平滑后的四阶累积量矩阵，具体计算公式为：其中，R12为目标阵列1和目标阵列2对应的平滑后的四阶累积量；...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘一民，黄天耀，王希勤，王向团，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11