一种基于固定天线阵列的信源径向速度快速估计方法技术

本发明专利技术提供一种基于固定天线阵列的信源径向速度快速估计方法。该算法以传统music（多重信号分类）算法为基础，根据一维谱峰搜索估计出信源方位角，得到信源方位信息；构建虚拟切换阵并再次进行角度估计，将信源的径向速度信息反映在角度估计偏差中，根据前后角度估计的值得到其速度大小。本发明专利技术所涉及的基于music方位与速度估计算法与二维music谱峰搜索求解方位与径向速度相比较，其估算速度大大提高。

A method for fast estimation of radial velocity of source based on fixed antenna array

The invention provides a method for rapidly estimating the radial velocity of a source based on a fixed antenna array. The algorithm is based on the traditional music (multiple signal classification) algorithm based on one-dimensional spectrum peak search to estimate the source azimuth, get the azimuth information; the construction of virtual switch array and again point estimate, the radial velocity information source is reflected in the angle estimation error, according to the angle estimation to its velocity. The present invention is based on the music azimuth and velocity estimation algorithm and the two-dimensional music spectrum peak search solves the azimuth and radial velocity, and the estimation speed is greatly improved.

【技术实现步骤摘要】
一种基于固定天线阵列的信源径向速度快速估计方法
本专利技术涉及一种阵列信号处理中信源径向速度估计的方法，具体是一种基于固定天线阵列快速估计信源径向速度的方法。
技术介绍
在阵列信号分析与处理中，基于子空间分解的经典超分辨DOA(DirectionofArrival)估计算法及其衍生算法以其优越的测向性能和良好的角度分辨率得到了极大关注和青睐。然而，经典music算法的优越性只能体现在信源方位估计上，对于基本的固定阵而言，music算法对信源运动不敏感，较难提取运动目标的速度信息。而在切换阵列中应用2D-music算法，对经典music算法进行改进，将径向速度分量写入导向矢量中，最后通过对方位角、速度相关的二维music谱扫描得到谱峰位置，可以同时完成信源方位角和径向速度的估计。该方法在测速的同时保留了music的优秀测向性能，但涉及二维谱计算以及谱峰搜索等问题，处理时间相对也较长。因此，如何在保留music算法在测向方面优越性能的同时快速地对运动目标进行速度测量，就显得非常有意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种固定天线阵列情况下基于music算法的信源径向速度的快速估计方法，解决了固定阵列中子空间类算法难以快速估计信源径向速度信息的困难。本专利技术的技术方案是：一种基于固定天线阵列的信源径向速度快速估计方法，包含以下步骤：步骤1，从固定阵列接收的目标回波信号中，采用多重信号分类-music算法估算得到信源的实际方位角；步骤2，构建虚拟的切换阵列，根据固定阵接收的回波信号组建新的虚拟回波信号矩阵，同样对其运用music算法估计虚拟方位角；步骤3，根据虚拟方位角与实际方位角的关系，确定并计算目标的径向运动速度。所述步骤2具体包括以下步骤：步骤2.1、模拟M个阵元切换，相邻阵元由同一时刻采样变成间隔采样时间T进行数据采样的方式，对固定阵列接收的回波信号进行矩阵重排，即根据原回波信号组成的M×N维回波矩阵Y：从中舍去对角线y11-yMM下方以及对角线y1(N-M+2)-yMN上方的数据，剩下的数据进行重排得到模拟的M×(N-M+1)维虚拟回波信号矩阵Y'：步骤2.2、把一个切换周期(MT)内M个天线间隔时间T接收的数据当做原回波数据中同一时刻M个天线的接收数据。对于步骤2.1中形成的虚拟回波信号矩阵同样运用多重信号分类-music算法进行信源方位角估计得到虚拟方位角。虚拟方位角是考虑时延T范围内目标运动产生相应的附加相位差而对应产生的。所述步骤3中径向运动速度是根据虚拟方位角与实际方位角的固有关系式确定并计算得到的；所述的固有关系式为：其中，θ0为实际方位角，θ1为虚拟方位角，d为阵元间距，T为采样时间间隔。与现有技术相比，本专利技术的优势在于：在固定阵列中，传统music算法只能对信源进行定位快速估计出信源方位角，或者在改进的music算法中利用二维谱峰搜索等方式进行径向速度估计，计算量大且运算时间长；本专利技术将二维搜索问题转换成两次一维搜索问题，不仅能准确估计信源方位角，通过构建虚拟切换阵的模式还能使得算法对信源径向运动速度敏感,大大降低数据运算量从而能快速提取并估算信源径向运动速度。附图说明图1为阵列布局图；图2为模拟切换阵数据提取示意图；图3(a)为θ＝0°vr＝15m/s时模拟切换阵列DOA估计情况图；(b)为θ＝0°vr＝-15m/s时模拟切换阵列DOA估计情况图；图4(a)为θ＝-30°vr＝15m/s时模拟切换阵列DOA估计情况图；(b)为θ＝30°vr＝15m/s时模拟切换阵列DOA估计情况图；图5为θ＝0°时估计的径向速度曲线与其实际值比较图。具体实施方式在经典music算法法阵成熟的基础上，本专利技术所涉及的快速估计算法核心即为固定直线阵列中虚拟切换阵列模型的构建及径向速度估计。以下对其作详细介绍：对于M元均匀直线阵，阵元间距为d(阵列模型如图1)。信号源为窄带信号时，假设信号频率为f，对应的波长为λ，则发射信号为x0(t)＝exp(j2πft)(1)在理想情况下，不考虑回波信号幅度的变化，第m个阵元接收的远场回波信号ym(t)为：ym(t)＝x0(t-tm)tm表示第m个阵元回波信号相对于发射信号的时延，D为初始时刻信源的距离信息，vr为信源径向运动速度,θ为信源相对直线阵的方位角，为电磁波传播速度，m取1,2，…M，表示阵元数。取第一个阵元为参考阵元，其接收的回波信号为x(t)：x(t)＝x0(t-t1)(3)则第m个阵元接收的远场回波信号ym(t)可以表示为：对于M元固定天线阵列，采样时间间隔为T。在时间NT内，接收的回波信号矩阵为YM×N。假设M个阵元天线采取切换模式轮流进行采样，即第m个阵元获得一个采样数据后间隔时间T由第(m+1)个阵元进行下一个采样。此时同一快拍内相邻阵元接收数据存在时间T的延迟，在该时间内由于信源的径向运动，第m个阵元相对于参考阵元会产生附加位移(m-1)vrT，则其回波信号ym′(t)为：从原接收的信号矩阵YM×N中提取模拟切换阵的回波信号矩阵，模拟切换阵的信号矩阵Y′M×N′为：Y′(m,n)＝Y(m,n+m-1)n＝1,2,…,N′(6)其中，，N′＝N-M+1。信号矩阵由M×N维降为M×(N-M+1)维，仅损失了一小部分数据。即如图2所示，固定阵回波数据YM×N按图中标出方式提取得到模拟切换阵的回波信号矩阵。可以看出虚拟回波信号模拟了切换阵列中天线轮流采样的模式，每个接收数据均存在时间T的延迟。对于静止的目标，该延迟对于接收数据不会有影响，同一快拍内接收信号的相位差仅由阵元间距和目标方位角决定；而对于运动的目标，在这段时间内由于径向运动目标会产生vrT的径向位移，从而使得虚拟回波信号产生了与速度相关的附加相移信号为窄带远场信号时，其DOA数学模型可以写为：Y(t)＝a(θ)x(t)+N(t)(7)其中，Y(t)＝[y1(t)y2(t)…yM(t)]T为阵列的M×1维快拍数据矢量，x(t)为单个信源时空间信号的一维矢量，a为空间阵列的M×1维导向矢量，与阵元位置以及信源方位有关,N(t)为阵列的M×1维噪声数据矢量。由于切换模式使得形成快拍的接收数据时刻不统一，从而引入了由信源径向运动引起的角度模糊。此时，将式(4)(5)进行对比，可认为导向矢量a′为：在运用music算法估计目标方位角时，相邻阵元速度附加相移会对角度估计产生相应的影响。由固定阵原始数据YM×N采用music算法进行DOA估计，得到信源实际方位角记为θ0；由模拟切换阵数据Y′M×N′采用music算法进行DOA估计，得到虚拟方位角θ1。根据式(8)(9)则有：即信源速度在一定范围内时，可取k＝0，有dsinθ1＝dsinθ0+vrT(11)则由此两次DOA估计结果可计算信源径向运动速度：综上所述，对于M固定阵，采用music算法估计信源方位角，根据式(6)构造虚拟回波信号矩阵后再次采用music算法估计出虚拟信源方位角，最后根据式(12)计算信源的径向速度。采用8元均匀线阵进行DOA仿真，M＝8,N＝500,仿真的发射信号频率f＝9.4GHz，阵元间距为半波长，采样间隔T＝433μs,。采用music算法对YM×N、Y′M×N′进行DOA估计仿真，给出了信源在方位角相同径向速度相反时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于固定天线阵列的信源径向速度快速估计方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1，从固定阵列接收的回波信号中，采用多重信号分类‑music算法估算得到信源实际方位角；步骤2，构建虚拟的切换阵列，根据固定阵接收的回波信号构建新的虚拟回波信号矩阵，对其运用music算法估计虚拟方位角；步骤3，根据虚拟方位角偏离实际方位角的大小关系，确定信源的径向运动速度。

【技术特征摘要】
1.一种基于固定天线阵列的信源径向速度快速估计方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1，从固定阵列接收的回波信号中，采用多重信号分类-music算法估算得到信源实际方位角；步骤2，构建虚拟的切换阵列，根据固定阵接收的回波信号构建新的虚拟回波信号矩阵，对其运用music算法估计虚拟方位角；步骤3，根据虚拟方位角偏离实际方位角的大小关系，确定信源的径向运动速度。2.如权利要求1所述的一种基于固定天线阵列的信源径向速度快速估计方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下步骤：步骤2.1、模拟M个阵元切换，相邻阵元由同一时刻采样变成间隔采样时间T进行数据采样的方式，对固定阵列接收的回波信号进行矩阵重排，即根据原回波信号组成的M×N维...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅慧，周恒，陈章友，吴雄斌，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42