一种单快拍大规模线阵空间谱估计方法技术

本发明专利技术涉及一种利用大规模线性阵列的单快拍数据进行空间谱估计的方法，属于空间谱估计技术领域。该方法先对单快拍矢量数据施行相位补偿和相位旋转两种操作；然后搜索空间谱的谱峰得到信号波达方向估计。本发明专利技术不仅能快速对来波信号的波达方向进行估计，并且避免了子空间类空间谱估计算法由于多径效应引起的秩损问题。

A single snapshot of large-scale linear spatial spectrum estimation method

The invention relates to a method for spatial spectrum estimation using a large-scale linear array single snapshot data, which belongs to the technical field of spatial spectrum estimation. This method first performed two operating phase rotation compensation and phase of a single snapshot vector data; and then search the peak spatial spectrum signal DOA estimation. The invention can not only quickly estimate the direction of arrival of the incoming wave signal, but also avoid the rank loss problem caused by the multipath effect in the subspace space spectrum estimation algorithm.

【技术实现步骤摘要】
一种单快拍大规模线阵空间谱估计方法
本专利技术属于空间谱估计
，涉及一种单快拍大规模线阵空间谱估计方法。
技术介绍
空间谱(SpatialSpectrum)估计又称为波达方向(Direction-of-Arrival,DoA)估计,指的是利用相控阵列对空间来波方向/目标进行定位。该技术在雷达、室内定位方面有着广泛的军民两方面应用。同时5G无线通信网络中大规模多入多出(Multiple-InputMultiple-Output,MassiveMIMO)天线阵列确定为物理层关键传输技术，以MassiveMIMO为基础的DoA估计算法获得了大量的关注和研究。能快速、准确地对用户方向进行定位，能大幅降低系统能耗，减少干扰，提高系统容量。目前大规模阵列的规模从数十个阵元到数百个阵元不等，相信随着技术的发展和工艺的不断改进，阵列规模还将持续增大。经典的DoA超分辨率代表性估计算法有最大似然法(MaximumLikelihood,ML)，最大似然DoA估计算法一般要进行多维非线性搜索，虽然有牛顿法，准牛顿法，交替投影法，最大期望值法等算法来求解，但计算量仍然很大，且可能得到局部最优解。此外，用得更为广泛的超分辨率DoA估计算法如多重信号分类法(MultipleSignalClassification,MUSIC)或者利用旋转不变技术估计信号参数法(EstimatingSignalParameterviarotationalInvarianceTechniques,ESPRIT)需要先对噪声或者信号子空间进行估计，因此一般需要大量快拍数据和较高的运算复杂度。在信号相关或者相干情况下，如无线通信中的多径效应，进行子空间估计要解决秩损问题。对规则阵列还可以利用空间平滑方法进行秩恢复，但对任意结构的阵列的秩损问题尚缺少有效解决办法。单快拍DoA估计算法仅利用MassiveMIMO阵列的单快拍数据对信号DoA进行估计，可以快速估计出空间目标的DoA，并且单快拍DoA估计算法不涉及相关和相干信号子空间估计的秩损问题。最近从频域维度(离散傅里叶变换(DiscreteFourierTransform,DFT)空间)出发提出了一种Massive均匀线阵(UniformLinearArray,ULA)的单快拍DoA估计算法，通过先初选角度，再经“相位旋转”操作得到更为精确的DoA估计。这种相位旋转操作能使得信号能量泄露减少，将所有天线阵元接收到的信号能量集中到设定的频点上。大规模均匀线阵的单快拍采样等效于时域中均匀采样，于是空间谱估计可利用成熟的经典谱估计算法来求解，这体现了时域-频域-空域的等价性。由于对有限长采样数据的离散傅立叶变换输出为离散频点上的谱值，只有实际的频点等于这些离散变换频点时，谱值才完全相等，否则就存在着由这种离散化带来的能量泄露，而“相位旋转”就是为让这种频点对齐的一种操作，当且仅当旋转后的频点对齐，输出得到一个极大谱值。但是该方法不能普遍适用于任意结构的Massive线阵。非均匀大规模线阵阵元的位置呈现的非均匀性体现为时域内的非均匀采样，空域/时域的非均匀采样导致了另外一种能量泄露，这使得波达角/频率估计不准甚至无法估计。针对任意结构阵列，一种“相位补偿”的信号处理方法被提了出来，其本质含义就是在处理前将这种空域或时域的不规则性导致的相位偏差进行补偿，使得在某个角度/频率采样数据符合均匀采样。这种“相位补偿”操作的提出是针对子空间类DoA估计方法，对接收数据或者信号子空间经过“相位补偿”后，从而将经典的ESPRIT算法扩展适用于任意结构阵列，取得了高效、渐进无偏和更高分辨率的DoA估计结果。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种单快拍大规模线阵空间谱估计方法，适用于包括规则的均匀线阵和不规则的一般线阵。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种单快拍大规模线阵空间谱估计方法，包括以下步骤：S1：根据任意空间角或相位补偿角，确定相位补偿矩阵，对单快拍数据施行相位补偿操作；S2：根据步骤S1中的空间角，确定相位旋转矩阵，对经过相位补偿后的数据进行相位旋转操作；S3：对经过相位旋转后的数据进行离散傅里叶变换，并确定步骤S1中的相位补偿角上的空间谱；S4：通过搜索得到的空间谱的谱峰位置得到最终信号的DoA估计。进一步，在步骤S1中，所述确定相位补偿矩阵具体为：先引入一个虚拟均匀参考阵列，该虚拟阵列阵元位置由实际阵列阵元位置确定，然后结合实际阵列阵元与虚拟阵列阵元对应的位置差并在一个方向角或相位补偿角上定义相位补偿矩阵，将相位补偿矩阵与接收快拍数据相乘，从而完成对接收到的单快拍数据的相位补偿操作。进一步，在步骤S2中，所述确定相位旋转矩阵具体为：先将相位补偿角变换为频域空间的数字频点，再根据该数字频点确定与它最为接近的离散傅立叶变换的特定频点，根据两个频点之间的频率差计算出相位旋转矩阵，该相位旋转矩阵为一对角酉阵；所述相位旋转操作具体为：将相位旋转矩阵与经过相位补偿后的矢量数据相乘，即完成所述相位补偿角上的相位旋转操作。进一步，所述步骤S3具体为：先对经过相位补偿和相位旋转操作后的矢量数据进行离散傅立叶变换，然后选定在步骤S2中确定的特定傅立叶变换频点处的谱值作为相位补偿角上的空间谱的值。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术引入一个虚拟参考阵列，该虚拟阵列由实际阵列的阵元位置决定，并由实际阵列与虚拟阵列对应阵元之间的位置差以及一个相位补偿角度来定义一个相位补偿矩阵。相位补偿矩阵是一个对角酉矩阵，利用该酉矩阵对单快拍矢量数据进行相位补偿，从而对相控阵列阵元空间位置的不规则空间采样进行补偿；同时本专利技术引入相位旋转矩阵，可将任意数字频率“旋转”到特定的离散傅立叶变换频点上，从而能对空间任意角度上的来波信号的能量谱进行估计。(2)本专利技术可采用快速傅立叶变换(FastFourierTransform,FFT)快速算法来计算空间谱，提高效率，同时可以在中间环节引入常用的加窗和滤波操作，本方法从频域角度出发得到了空间谱估计，体现了时-频-空的本质变换关系，可用于时域非均匀采样序列的谱估计。(3)本专利技术不仅能快速对来波信号的波达方向进行估计，并且避免了子空间类空间谱估计算法由于多径效应引起的秩损问题。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图进行说明：图1为一个M阵元大规模线阵示意图；图2为一个M元虚拟参考均匀线阵示意图；图3为本专利技术算法框图；图4为一个M＝32随机线阵单信号离散傅立叶变换能量泄露示意图；图5为利用一个M＝32阵元随机线阵对2信号同时等功率入射时的离散傅立叶变换频谱图和本方法得到的空间谱图；图6为利用一个M＝32阵元随机线阵对2信号同时等功率入射时的加窗/高通滤波器后得到的空间谱图；图7为利用一个M＝32阵元随机线阵对两信号入射情况下的DoA估计的绝对偏差随SNR的变化情况；图8为利用一个M＝32阵元随机线阵对两信号入射情况下的DoA估计的均方根误差随SNR的变化情况。具体实施方式下面将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。本专利技术提供了一种从频域利用任意结构大规模线阵单快拍进行波达方向估计的方法。该方法首先对接收到的单快拍矢量数据进行相位补偿和相位旋转两种操本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单快拍大规模线阵空间谱估计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：根据任意空间角或相位补偿角，确定相位补偿矩阵，对单快拍数据施行相位补偿操作；S2：根据步骤S1中的空间角，确定相位旋转矩阵，对经过相位补偿后的数据进行相位旋转操作；S3：对经过相位旋转后的数据进行离散傅里叶变换，并确定步骤S1中的相位补偿角点处的空间谱；S4：在全角域内通过搜索空间谱的谱峰位置得到信号的最终波达方向(Direction of Arrival,DoA)估计。

【技术特征摘要】
1.一种单快拍大规模线阵空间谱估计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：根据任意空间角或相位补偿角，确定相位补偿矩阵，对单快拍数据施行相位补偿操作；S2：根据步骤S1中的空间角，确定相位旋转矩阵，对经过相位补偿后的数据进行相位旋转操作；S3：对经过相位旋转后的数据进行离散傅里叶变换，并确定步骤S1中的相位补偿角点处的空间谱；S4：在全角域内通过搜索空间谱的谱峰位置得到信号的最终波达方向(DirectionofArrival,DoA)估计。2.根据权利要求1所述的一种单快拍大规模线阵空间谱估计方法，其特征在于：在步骤S1中，所述确定相位补偿矩阵具体为：先引入一个虚拟均匀参考阵列，该虚拟阵列阵元位置由实际阵列阵元位置确定，然后结合实际阵列阵元与虚拟阵列阵元对应的位置差并在一个方向角或相位补偿角上定义相位补...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘松，庞育才，翁明江，余翔，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50