互质阵列中基于迭代稀疏重构的DOA估计方法技术

本发明专利技术公开了互质阵列中一种基于迭代稀疏重构的DOA估计方法，接收天线阵列采用非线性互质阵列，通过对接收信号的二阶统计特性协‑方差矩阵的向量化处理，可确定孔径长度更大的差分阵列，提高检测能力。对目标所在的角度域进行离散化处理，目标可视为稀疏分布于栅格点之上或附近，并构建出对数和形式的稀疏信号重建问题。利用对数和函数的凸紧上界，重建该原始稀疏问题，以迭代的方式动态调整更新角度域的离散点以逼近目标真实的到达角度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通信信号处理
，尤其涉及一种使用互质阵列的基于迭代稀疏重构的DOA估计方法。
技术介绍
基于天线阵列的信号处理方法被广泛应用于无线通信、电磁场、雷达、声呐等诸多领域。波达方向(DOA)估计是阵列信号处理领域中的一个重要问题。传统的估计方法通常研究阵元间隔为半波长的均匀线性阵列，且适用于检测目标数少于阵元个数的场合，例如对N天线均匀线性阵列而言，传统估计方法(如基于子空间的估计方法等)至多可检测N-1个目标，非线性互质阵列通过利用协方差矩阵的特性，将原始阵列构建成具有更多虚拟天线和更大孔径长度的差分阵列，进而可显著提高其自由度，即检测能力，传统估计方法通常需要目标个数的先验信息和大样本才能估计出目标的波达方向，在小样本及目标个数未知条件下不适用，此外，传统估计方法也难以适用于信噪比低的情况，即可能无法检测到发射功率较低(例如小于噪声功率)的弱目标。近年来，随着稀疏重构理论的发展，稀疏表示已逐渐开始应用于小波去噪、雷达成像等领域，基于稀疏信号重构的DOA估计方法能够充分发掘互质阵列自由度高的优势，可检测目标数目较传统方法显著提高，然而，常规的稀疏重构方法需要将角度域进行静态的栅格化处理，建立以l0范数(通常以lp范数近似，p≤1)最小化为目标的稀疏优化问题，这类方法的问题在于估计精度严重依赖于初始的栅格化过程，若目标大部分位于或极其靠近栅格点，则估计性能良好；反之，若大部分目标流离于栅格点之外，则估计性能难以保证，因此，由于角度域的静态栅格化处理造成的栅格失配问题会严重影响重构的效果。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术存在的不足，提出了一种适用于互质阵列的基于迭代稀疏重构的DOA估计方法，本专利技术的方法具有更高的自由度，可检测比实际阵元数更多的目标，本专利技术的方法的估计性能不依赖于初始的栅格化处理，具有更强的灵活性，适用于小样本、低信噪比及目标个数未知等复杂环境，其中所述DOA全称为Direction of Arrival,即信号的波达方向。为实现上述专利技术目的，本专利技术所采取的技术方案为：一种互质阵列中基于迭代稀疏重构的DOA估计方法，它包括以下步骤：(1)建立接收阵列模型用非线性的互质阵列作为接收阵列采集信号，其中互质阵列可分解为两个均匀线性子阵列，每个子阵列的阵元间隔均大于半波长；(2)构建虚拟差分阵列对互质阵列接收信号的协方差矩阵进行向量化处理，在不同阵元的差分位置形成虚拟阵元，可将原始阵列等效成具有更多虚拟阵元及更大孔径尺度的差分阵列；(3)栅格化处理，建立稀疏优化问题将目标区域进行栅格化处理，分析差分阵列中的接收信号，建立以对数和函数为优化目标的稀疏优化问题，兼顾估计结果的稀疏性和准确性；(4)DOA估计迭代实现利用对数和函数的凸紧上界重构原始稀疏问题，以迭代方式逐步更新栅格点位置来使目标函数最小化，逐渐逼近真实信号源的方向，直至满足终止条件，所述方法可动态调整栅格点的位置，能有效克服角度域的静态离散化造成的栅格失配问题。本专利技术的有益效果为：1、本专利技术利用互质阵列构建出具有更多阵元数目和更大孔径尺寸的虚拟差分阵列，显著提高了自由度，可实现多于阵元数目的目标检测；2、相对于传统角度域的静态栅格化，本专利技术以迭代方式动态调整栅格点来逐渐逼近目标的真实位置，可避免估计性能对栅格初始位置的依赖，改善由于静态的栅格化造成的失配问题，提高估计精度和分辨率；3、本专利技术无需目标个数的先验信息及对协方差矩阵的满秩性要求，可适用于目标个数未知及小样本环境，具有很强的灵活性。在单样本条件下，该方法可实现目标的动态追踪；4、本专利技术鲁棒性好，对信噪比要求低，可实现低发射功率(小于噪声功率)目标的检测。附图说明图1为本专利技术方法的流程图；图2为本专利技术互质阵列及其子阵列示意图；图3为本专利技术的仿真实验中归一化功率谱图；图4为本专利技术的仿真实验中估计精度图a；图5为本专利技术的仿真实验中估计精度图b。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的详细描述：本专利技术方法的流程图如图1所示，具体实现过程如下：(1)构建非线性互质阵列模型，获取接收信号；(2)计算接收信号的协方差矩阵并进行向量化处理，建立虚拟差分阵列；(3)对角度域进行栅格化处理，建立稀疏优化问题；(4)以迭代方式动态调整栅格点位置，直至满足终止条件。分析稀疏解，确定最终波达方向。本专利技术的DOA估计方法过程如下：1.互质阵列及其接收信号本专利技术所涉及的互质阵列如图2所示，该阵列可分解为两个均匀线性子阵列，其中子阵列1包含M1个天线，相邻天线间隔为M2λ/2，子阵列2包含2M2个天线，相邻天线间隔为M1λ/2，这里M1和M2为互质的正整数，λ表示载波的波长，子阵列1和2的全体构成非线性互质阵列，由于子阵列1和2共享第一个天线，因此互质阵列的天线数为M＝M1+2M2-1。有未知个数(假定为K)的不相关目标从不同方向Θ＝[θ1,θ2,…,θK]到达互质阵列，该阵列在时刻t(1≤t≤T)的接收信号为 x ( t ) = Σ k = 1 K a ( θ k ) s k ( t ) + n ( t ) = A s ( t ) + n ( t ) - - - ( 1 ) ]]>其中，A＝[a(θ1),a(θ2),…,a(θK)]表示由阵列位置确定的已知的阵列流形矩阵，s(t)＝[s1(t),s2(t),…,sK(t)]T表示K个目标的发射信号矢量，n(t)为独立同分布加性高斯白噪声矢量，上标T表示转置。2.协方差矩阵及虚拟差分阵列接收信号x(t)的协方差矩阵可表征为 R x x = E [ x ( t ) x H ( t ) ] = Σ k = 1 K σ k 2 a ( θ k ) a H ( θ k ) 本文档来自技高网...

【技术保护点】
互质阵列中一种基于迭代稀疏重构的DOA估计方法，其特征在于：所述方法按以下步骤进行：(1)建立接收阵列模型用非线性的互质阵列作为接收阵列采集信号，其中互质阵列可分解为两个均匀线性子阵列，每个子阵列的阵元间隔均大于半波长；(2)构建虚拟差分阵列对互质阵列接收信号的协方差矩阵进行向量化处理，在不同阵元的差分位置形成虚拟阵元，可将原始阵列等效成具有更多虚拟阵元及更大孔径尺度的差分阵列；(3)栅格化处理，建立稀疏优化问题将目标区域进行栅格化处理，分析差分阵列中的接收信号，建立以对数和函数为优化目标的稀疏优化问题，兼顾估计结果的稀疏性和准确性；(4)DOA估计迭代实现利用对数和函数的凸紧上界重构原始稀疏问题，以迭代方式逐步更新栅格点位置来使目标函数最小化，逐渐逼近真实信号源的方向，直至满足终止条件，所述方法可动态调整栅格点的位置，能有效克服角度域的静态离散化造成的栅格失配问题。

【技术特征摘要】
1.互质阵列中一种基于迭代稀疏重构的DOA估计方法，其特征在于：所述方法按以下步骤进行：(1)建立接收阵列模型用非线性的互质阵列作为接收阵列采集信号，其中互质阵列可分解为两个均匀线性子阵列，每个子阵列的阵元间隔均大于半波长；(2)构建虚拟差分阵列对互质阵列接收信号的协方差矩阵进行向量化处理，在不同阵元的差分位置形成虚拟阵元，可将原始阵列等效成具有更多虚拟阵元及更大孔径尺度的差分阵列；(3)栅格化处理，建立稀疏优化问题将目标区域进行栅格化处理，分析差分阵列中的接收信号，建立以对数和函数为优化目标的稀疏优化问题，兼顾估计结果的稀疏性和准确性；(4)DOA估计迭代实现利用对数和函数的凸紧上界重构原始稀疏问题，以迭代方式逐步更新栅格点位置来使目标函数最小化，逐渐逼近真实信号源的方向，直至满足终止条件，所述方法可动态调整栅格点的位置，能有效克服角度域的静态离散化造成的栅格失配问题。2.根据权利要求1所述的互质阵列中基于迭代稀疏重构的DOA估计方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙丰刚，兰鹏，陈丽珍，毕建杰，
申请(专利权)人：山东农业大学，
类型：发明
国别省市：山东;37