基于幅相误差阵列的远近场宽带混合源中近场源定位方法技术

基于幅相误差阵列的远近场宽带混合源中近场源定位方法，本发明专利技术涉及远近场宽带混合源中近场源定位方法。本发明专利技术的目的是为了解决现有存在阵列幅相误差时远近场宽带混合信源中的近场信源无法定位的问题。基于幅相误差阵列的远近场宽带混合源中近场源定位方法具体过程为：一、构建理想情况下的信源模型；二、构建阵列幅相误差下的信源模型；三、计算远场信源到达方向估计值；四、根据远场信源到达方向估计值计算参考频率点处的阵列幅相误差估计值；五、根据参考频点处的阵列幅相误差估计值计算近场信源到达方向估计值；六、根据近场信源到达方向估计值对开阔环境下近场信源进行定位。本发明专利技术用于信号处理领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及远近场宽带混合源中近场源定位方法。
技术介绍
利用超分辨测向进行信源定位是阵列信号处理中的一个重要研究内容，在无线电监测、物联网和电子对抗等领域有着较广泛的应用。目前多数的测向方法都是以精确的掌握阵列流型为前提。而实际的测向系统当中，各阵列通道的增益和长短往往不一致，导致测向估计时经常伴随着阵列幅相误差，这直接导致了很多基于阵列信号处理的信源定位方法性能的恶化，甚至失效，所以有必要对阵列进行校正处理。阵列幅相误差的校正方法通常可以分为有源校正和自校正。有源校正可通过在空间设置方位已知的辅助信源对阵列扰动参数进行离线估计，而自校正方法通常根据某种优化函数对空间信源的方位与阵列扰动参数联合估计。较早的自校正算法只针对阵元的位置误差或阵列幅相误差，这两种误差其实可以用相同的数学模型表示(阵元的位置误差可以看成是阵元间的相位不一致)，它们都是与方位不相关的误差。对于这类误差，A.Paulraj和T.Kallath提出了利用阵列输出协方差矩阵的特殊结构，得到幅相误差之间相互关系的线性方程组，从而可实现对均匀线阵幅相误差和信源的到达方向估计。BenjaminFriedlander和AnthonyJ.Weiss利用阵列输出协方差矩阵特征分解后噪声子空间和信源子空间正交的特点，并结合多重信源分类算法，提出了一种迭代最小化代价函数对阵列幅相误差和到达方向同时估计的算法。Doclo采用特征滤波器实现了远近场信源的波束形成，可是精度较低。Arslan基于神经网络技术对该问题进行了研究，也取得了较好的效果，只是计算量较大。Liang利用虚拟阵列变换的方法实现了远近场信源的测向定位。He采用改进的多重信源分类算法实现了远近场信源的测向定位，且避免了多维搜索。然而上述方法只适用于窄带信源，对于存在阵列幅相误差时的宽带信源超分辨测向定位方法，尤其是存在阵列幅相误差时远近场宽带混合信源背景下的近场信源超分辨测向定位方法，未见到公开发表的文献，导致存在阵列幅相误差时远近场宽带混合信源中的近场信源定位不准确的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有存在阵列幅相误差时远近场宽带混合信源中的近场信源无法定位的问题，而提出基于幅相误差阵列的远近场宽带混合源中近场源定位方法。基于幅相误差阵列的远近场宽带混合源中近场源定位方法具体过程为：步骤一、构建理想情况下的信源模型；步骤二、根据理想情况下的信源模型构建阵列幅相误差下的信源模型；步骤三、根据阵列幅相误差下的信源模型计算远场信源到达方向估计值；步骤四、根据远场信源到达方向估计值计算参考频率点处的阵列幅相误差估计值；步骤五、根据参考频点处的阵列幅相误差估计值计算近场信源到达方向估计值；步骤六、根据近场信源到达方向估计值对开阔环境下近场信源进行定位。本专利技术的有益效果为：该专利技术提出了一种基于幅相误差阵列的远近场宽带混合源中近场源定位方法，当阵列幅相误差存在时，首先利用矩阵变换对信源的空间谱函数进行化简并求出远场信源方向，之后估计出参考频点下的阵列幅相误差，之后便可以利用它们判断出近场信源方向，进而计算出信源的位置。该方法可以有效的对阵列幅相误差进行校正，同时能够较快的计算出信源的位置。该方法不需要谱函数搜索，相对于其它方法节省了计算时间，提高了效率，并且估计精度较高。图2为信噪比为0dB时3种方法对频率为0.1GHz处的信源的位置坐标估计结果。从图2可以看出，本专利技术提出的方法可以较准确地估计出信源的位置，而EA和PL方法无法对阵列误差进行校正，因此存在着一定误差。附图说明图1为本专利技术信源模型图；图2为信源的位置估计图；图3为中心频点处的位置估计误差随信噪比的变化图；图4为宽带信源的位置估计误差随信噪比的变化图。具体实施方式具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的基于幅相误差阵列的远近场宽带混合源中近场源定位方法具体过程为：步骤一、构建理想情况下的信源模型；步骤二、根据理想情况下的信源模型构建阵列幅相误差下的信源模型；步骤三、根据阵列幅相误差下的信源模型计算远场信源到达方向估计值；步骤四、根据远场信源到达方向估计值计算参考频率点处的阵列幅相误差估计值；步骤五、根据参考频点处的阵列幅相误差估计值计算近场信源到达方向估计值；步骤六、根据近场信源到达方向估计值对开阔环境下近场信源进行定位。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中构建理想情况下的信源模型；具体过程为：如图1所示，假设N1个远场线性调频宽带信源和N2个近场线性调频宽带信源同时到达由2M+1个全向阵元组成的均匀直线阵列上，到达角度为θ，其中N＝N1+N2，N为总的信源个数；N、N1、N2取值为正整数，M取值为正整数；θ取值为-90°～+90°；假设远近场信源个数均为已知，信源之间互不相关且到达阵列的功率相等，将第0个阵元作为相位参考点，近场信源与相位参考点距离为阵元间距为d，它等于信号中心频率对应波长的一半，d取值为正数，假设线性调频宽带信源的频率范围为[fLow,fHigh]，设在每个频点上进行了Z次信源采样，经过J个窄带滤波器对信源进行频率划分，则第i个滤波器输出表示为X(fi)＝A(fi,θ)S(fi)+Γ(fi)(1)其中fLow＜fi＜fHigh，i＝1,2,…,J，X(fi)为频点fi上的阵列接收向量，表达式为X(fi)＝[X(fi,1),…,X(fi,z),…,X(fi,Z)](2)其中X(fi,z)＝[X-M(fi,z),…,X-m(fi,z),…,X0(fi,z),…,Xm(fi,z),…,XM(fi,z)]T(3)式中，X(fi,z)为X(fi)的第z次采样向量，Xm(fi,z)为频点fi上第m个阵元接收到的第z次采样数据，X0(fi,z)为频点fi上第0个阵元接收到的第z次采样数据，XM(fi,z)为频点fi上第M个阵元接收到的第z次采样数据；1≤z≤Z，Z、J取值为正数，式(1)中，A(fi,θ)为频点fi上(2M+1)×N维的信号阵列流型矩阵其中为理想情况下频点fi上远场信源的阵列流型矩阵，元素为信源在频点fi上的远场信号导向矢量；为理想情况下频点fi上近场信源的阵列流型矩阵，元素为信源在频点fi上的近场信号导向矢量；当信源处在远场时，信源距天线距离较远，可认为信源与各个阵元的连线之间是平行的，则有其中式中，表示第n1个远场信源到达第m个阵元相对于它到达相位参考点的延时，n1＝1,2,…N1，m＝-M,…,-m,…,0,…,m,…,M，m取值为整数；c为电磁波在真空中的传播速度，j为复数标志，T为对矩阵求转置；当信源处在近场时，信源距天线距离较近，则有观察图1中近场信源与天线阵列之间的几何关系，通过余弦定理可以得出式中，表示第n2个近场信源到达第m个阵元相对于它到达相位参考点的延时，利用傅立叶级数展开有式(1)中式中，S(fi)为频点fi上的信号矢量矩阵，其中为频点fi上远场信源的矢量矩阵，为频点fi上第n1个远场信源的矢量矩阵；为频点fi上近场信源的矢量矩阵，为频点fi上第n2个近场信源的矢量矩阵；式(1)中Γ(fi)为频点fi上的噪声矢量矩阵，均值为0，方差为σ2(fi)，则理想情况下频点fi上的阵列协方差矩阵为式中，I(2M+1)×(2M+1)为(2M本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于幅相误差阵列的远近场宽带混合源中近场源定位方法，其特征在于：基于幅相误差阵列的远近场宽带混合源中近场源定位方法具体过程为：步骤一、构建理想情况下的信源模型；步骤二、根据理想情况下的信源模型构建阵列幅相误差下的信源模型；步骤三、根据阵列幅相误差下的信源模型计算远场信源到达方向估计值；步骤四、根据远场信源到达方向估计值计算参考频率点处的阵列幅相误差估计值；步骤五、根据参考频点处的阵列幅相误差估计值计算近场信源到达方向估计值；步骤六、根据近场信源到达方向估计值对开阔环境下近场信源进行定位。

【技术特征摘要】
1.基于幅相误差阵列的远近场宽带混合源中近场源定位方法，其特征在于：基于幅相误差阵列的远近场宽带混合源中近场源定位方法具体过程为：步骤一、构建理想情况下的信源模型；步骤二、根据理想情况下的信源模型构建阵列幅相误差下的信源模型；步骤三、根据阵列幅相误差下的信源模型计算远场信源到达方向估计值；步骤四、根据远场信源到达方向估计值计算参考频率点处的阵列幅相误差估计值；步骤五、根据参考频点处的阵列幅相误差估计值计算近场信源到达方向估计值；步骤六、根据近场信源到达方向估计值对开阔环境下近场信源进行定位。2.根据权利要求1所述基于幅相误差阵列的远近场宽带混合源中近场源定位方法，其特征在于：所述步骤一中构建理想情况下的信源模型；具体过程为：假设N1个远场线性调频宽带信源和N2个近场线性调频宽带信源同时到达由2M+1个全向阵元组成的均匀直线阵列上，到达角度为θ，其中N＝N1+N2，N为总的信源个数；假设远近场信源个数均为已知，信源之间互不相关且到达阵列的功率相等，将第0个阵元作为相位参考点，近场信源与相位参考点距离为阵元间距为d，它等于信号中心频率对应波长的一半，假设线性调频宽带信源的频率范围为[fLow,fHigh]，设在每个频点上进行了Z次信源采样，经过J个窄带滤波器对信源进行频率划分，则第i个滤波器输出表示为X(fi)＝A(fi,θ)S(fi)+Γ(fi)(1)其中fLow＜fi＜fHigh，i＝1,2,…,J，X(fi)为频点fi上的阵列接收向量，表达式为X(fi)＝[X(fi,1),…,X(fi,z),…,X(fi,Z)](2)其中X(fi,z)＝[X-M(fi,z),…,X-m(fi,z),…,X0(fi,z),…,Xm(fi,z),…,XM(fi,z)]T(3)式中，X(fi,z)为X(fi)的第z次采样向量，Xm(fi,z)为频点fi上第m个阵元接收到的第z次采样数据，X0(fi,z)为频点fi上第0个阵元接收到的第z次采样数据，XM(fi,z)为频点fi上第M个阵元接收到的第z次采样数据；1≤z≤Z，式(1)中，A(fi,θ)为频点fi上(2M+1)×N维的信号阵列流型矩阵A(fi,θ)=[aFS(fi,θ1),...,aFS(fi,θn1),...,aFS(fi,θN1),aNS(fi,θN1+1),...,aNS(fi,θn2),...,aNS(fi,θN)]=[AFS(fi),ANS(fi)]---(4)]]>其中为理想情况下频点fi上远场信源的阵列流型矩阵，元素为信源在频点fi上的远场信号导向矢量；为理想情况下频点fi上近场信源的阵列流型矩阵，元素为信源在频点fi上的近场信号导向矢量；当信源处在远场时，信源与各个阵元的连线之间是平行的，则有aFS(fi,θn1)=[exp(-j2πfiτ-M(θn1)),...,exp(-j2πfiτ-m(θn1)),...,1,...,exp(-j2πfiτm(θn1)),...,exp(-j2πfiτM(θn1))]T---(5)]]>其中τm(θn1)=mdcsinθn1---(6)]]>式中，表示第n1个远场信源到达第m个阵元相对于它到达相位参考点的延时，n1＝1,2,…N1，m＝-M,…,-m,…,0,…,m,…,M，m取值为整数；c为电磁波在真空中的传播速度，j为复数标志，T为对矩阵求转置；当信源处在近场时，则有aNS(fi,θn2)=[exp(-j2πfjτ-M(θn2)),...,exp(-j2πfiτ-m(θn2)),...,1,...,exp(-j2πfiτm(θn2)),...,exp(-j2πfiτM(θn2))]T---(7)]]>通过余弦定理可以得出τm(θn2)=ln2-ln22+(md)2-2ln2mdsinθn2c---(8)]]>式中，表示第n2个近场信源到达第m个阵元相对于它到达相位参考点的延时，利用傅立叶级数展开有τm(θn2)=-m2d24ln2ccos2θn2+1cmdsinθn2-m2d24ln2c---(9)]]>式(1)中S(fi)=[SFS(fi),SNS(fi)]T=[S1(fi),...,Sn1(fi),...,SN1(fi),SN1+1(fi),...,Sn2(fi),...,SN(fi)]T---(10)]]>式中，S(fi)为频点fi上的信号矢量矩阵，其中为频点fi上远场信源的矢量矩阵，为频点fi上第n1个远场信源的矢量矩阵；为频点fi上近场信源的矢量矩阵，为频点fi上第n2个近场信源的矢量矩阵；式(1)中Γ(fi)为频点fi上的噪声矢量矩阵，均值为0，方差为σ2(fi)，则理想情况下频点fi上的阵列协方差矩阵为R(fi)=1ZX(fi)XH(fi)=1ZA(fi,θ)S(fi)SH(fi)AH(fi,θ)+σ2(fi)I(2M+1)×(2M+1)=RFS(fi)+RNS(fi)+σ2(fi)I(2M+1)×(2M+1)---(11)]]>式中，I(2M+1)×(2M+1)为(2M+1)×(2M+1)维的单位矩阵，H为对矩阵求共轭转置；其中远场信源的...

【专利技术属性】
技术研发人员：甄佳奇，
申请(专利权)人：黑龙江大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23