一种多信源频率与DOA联合检测的方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种多信源频率与DOA联合检测的方法及其装置，包括：对L路信号样本做Mf点DFT，利用Tsui频谱校正器对DFT结果进行频率和相位校正，得到校正后的D组频率、相位、幅值的参数组，利用参数组构造出D个方向矢量；将D个方向矢量按照最小距离进行分组匹配，得出D个信源参数匹配信息；根据D个信源参数匹配信息构造频率余数组，并将频率余数组带入闭式鲁棒中国余数定理模型进行重构，得出频率估计值；根据D个信源参数匹配信息得出L‑1个相位差，并构造相位余数组，将相位余数组与重构模值组带入闭式鲁棒CRT重构得到中间参数，计算出DOA估计值。本发明专利技术实现了多对目标的高精度频率与DOA联合估计。

A method and device for joint detection of multiple source frequency and DOA

The invention discloses a method for detection of a multi frequency source with DOA and device, including: Mf point DFT on the L signal samples, the results of DFT for correction of frequency and phase of the Tsui spectrum parameters were obtained in D group corrector, frequency, phase and amplitude of the corrected parameters, using group structure D direction vector; D vector according to the minimum distance of packet matching, get D source parameter matching information; according to the D source parameter matching information structure frequency more than array, and the frequency of the remainder group into the closed robust China remainder theorem model reconstruction, obtained the frequency estimation based on D source parameters; the matching information that L 1 phase difference and phase structure of more than an array of phase array and reconstruction mode value more than group into the closed robust CRT reconstruction by intermediate parameters, calculate the estimated value of DOA. The invention realizes joint estimation of high precision frequency and DOA for multiple targets.

【技术实现步骤摘要】
一种多信源频率与DOA联合检测的方法及其装置
本专利技术涉及信号分析处理
，尤其涉及在观测多信源数入射到阵列天线的情况下，基于一种新型互素稀疏阵列，对其进行欠采样处理，并进行频谱校正与中国余数定理重构，从而实现对多目标频率与DOA(到达角)的高精度联合测量。
技术介绍
多目标信源的频率与DOA联合估计是阵列信号处理领域的研究热点，在雷达[1]、无线通信[2]、电子战等领域有着广泛应用。目前现有的空间谱估计算法多是基于子空间分解谱估计算法(如MUSIC(多重信号分类算法)、ESPRIT(旋转不变信号参数估计技术)算法等)，然而这类算法主要存在两个方面的不足。一是需要满足奈奎斯特采样速率，即阵元传感器的采样速率需要大于等于最大入射信号频率的2倍。这也同时导致了所采用的均匀线性阵列的阵元间距不能大于信号波长的一半。因此，在高频段下，阵元采样器的功率难以满足实际需求；二是，必须将阵元密集排列，导致阵元间产生较大耦合，从而对信源参数的估计精度产生较大影响。针对多目标信号的频率与DOA联合估计问题，目前研究者提出了一些新的研究方法：文献[3]提出了一种基于均匀线阵，利用长短基线概念设定多组采样速率，对接收信号多次进行ESPRIT算法分解转换，实现到达角和频率联合估计的算法。文献[4]提出了一种树形结构(FSF(频率-空间-频率)-MUSIC)，即先后3次利用MUSIC算法对接收到的协方差矩阵进行转换，再利用子空间特性实现频率和DOA联合估计。但是这些算法只适用于低频段信号(<10MHz)。文献[5]利用均匀线阵将2-18GHz接收信号划分为多个1GHz的子频段，再对每路子信号以250MHz进行时间欠采样，利用PRO(专业)-ESPRIT生成的信息向量实现对信源的DOA与频率估计。但是该算法各子频段存在一定时延，且欠采样率不高。近年来稀疏阵列吸引了越来越多的关注，这是因为稀疏阵列打破了原有传统均匀线阵的阵元布置限制，并利用差分思想扩展了阵列的有效孔径，提高了阵列自由度。如：较早提出的最小空洞阵列[6]和最小冗余阵列[7]均利用N个阵元将自由度提高至N2，但是这两稀疏阵列没有闭合的推导形式，因此未能进一步发展和应用。文献[8]提出的嵌套阵列虽然具有闭合推导形式并能实现对目标DOA估计，但该阵列只是实现了局部稀疏化，其中一部分阵元仍旧按照经典的均匀线阵紧密布置，因而阵元间耦合依旧比较严重。文献[9]基于互素感知理论提出了互素阵列，虽然在一定程度上改善了阵列稀疏度，但仍然存在局部阵元耦合问题。需要指出的是，上述该些稀疏阵列无法实现频率与DOA的联合估计。
技术实现思路
本专利技术提供了一种多信源频率与DOA联合检测的方法及其装置，本专利技术通过空时域欠采样，并结合谱校正[10]与闭式鲁棒中国余数定理[11]，实现了多对目标的高精度频率与DOA联合估计，节约了硬件成本，提高了数据利用率与估计精度，详见下文描述：一种多信源频率与DOA联合检测的方法，所述方法包括以下步骤：对L路信号样本做Mf点DFT，利用Tsui频谱校正器对DFT结果进行频率和相位校正，得到校正后的D组频率、相位、幅值的参数组，利用参数组构造出D个方向矢量；将D个方向矢量按照最小距离进行分组匹配，得出D个信源参数匹配信息；根据D个信源参数匹配信息构造频率余数组，并将频率余数组带入闭式鲁棒中国余数定理模型进行重构，得出频率估计值；根据D个信源参数匹配信息得出L-1个相位差，并构造相位余数组，将相位余数组与重构模值组带入闭式鲁棒CRT重构得到中间参数，计算出DOA估计值。所述L路信号具体为：设置包含L个阵元的稀疏线性天线阵列，每个阵元位置布置两个ADC采样器；各阵元的两个ADC采样器分别以fs1,fs2两种采样速率对入射信号进行并行欠采样，每个阵元采集的快拍数为Mf。所述方法还包括：多信源参数分组匹配。其中，所述方法多信源参数分组匹配具体为：对于同一信源，构造得到的导向矢量距离非常近，即：其中，D为检测目标数目；ci为匹配分组；确定两路序列中D个谱峰对应情况，并将同一信源参数匹配分组。其中，所述根据D个信源参数匹配信息构造频率余数组，并将频率余数组带入闭式鲁棒中国余数定理模型进行重构，得出频率估计值具体为：根据多信源参数分组匹配、以及单信源频率估计获取多个信源频率估计。所述根据D个信源参数匹配信息得出L-1个相位差，并构造相位余数组，将相位余数组与重构模值组带入闭式鲁棒CRT重构得到中间参数，计算出DOA估计值具体为：根据多信源参数分组匹配、以及单信源DOA估计获取多个信源DOA估计。所述单信源频率估计具体为：对在各阵元上经过欠采样得到的L路采样样本作Mf点DFT得到Xl(k)，对其进行谱峰搜索，得到谱峰位置，进而获取左谱峰修正参数和右谱峰修正参数；根据左谱峰修正参数和右谱峰修正参数得到左修正序列和右修正序列，并计算差值，得出校正后的谱峰位置，得出频偏估计值；根据频偏估计值，得出相位、频率、幅值的校正估计值。所述单信源DOA估计具体为：将CRT重构得到的和已得到的波长估计值带入下式，即可得到到达角估计值：其中，为相位重构量；为中间量。一种多信源频率与DOA联合检测的装置，所述检测装置包括：稀疏阵列天线、ADC采样器、DSP、输出驱动及显示装置，当远场窄带信号入射到稀疏阵列体天线上，各阵元上的两个ADC采样器以不同步采样速率进行并行欠采样，将得到的数据输入到DSP器件中；DSP器件进行处理，最终得到多个入射目标的频率与DOA估计值，并在输出驱动及显示装置上显示结果。本专利技术提出的基于互素稀疏阵列的多目标频率和DOA联合测量方法，若将其应用于实际工程领域将具有以下功能优势：1)降低硬件成本本专利技术所提出的互素稀疏阵列，不需要按照传统均匀线阵将传感器按照半波长紧密排列，只需通过少数阵元即可实现多目标频率与DOA估计。同时，本专利技术打破了传统奈奎斯特采样速率限制，不需要进行下变频即可实现对高频段信号的采样，进一步降低了硬件要求。2)提高数据利用率本专利技术只需要利用各阵元上两个ADC(数模转换器)同时进行欠采样得到的数据，按照所提算法对其进行处理，即可得出频率与DOA估计结果，避免了多次采样与长时间采样。3)测量精度高由于本专利技术采用了频谱校正与闭式鲁棒中国余数定理，具有很高的估计精度。附图说明图1为单信源频率与DOA联合估计流程图；图2为互素稀疏阵列天线布置示意图；图3为频谱校正流程图；图4为两种采样速率下参数对应示意图；图5为频率检测成功概率和SNR(信噪比)关系曲线；图6为DOA检测成功概率和SNR关系曲线；图7为频率测量的均方误差关系曲线；图8为DOA测量的均方误差关系曲线；图9为本专利技术的硬件系统结构图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。实施例1101：设置包含L个阵元的稀疏线性天线阵列，每个阵元位置布置两个ADC采样器；其中，从某一特定时刻开始，各阵元的两个ADC采样器分别以fs1,fs2两种采样速率对入射信号进行并行欠采样，每个阵元采集的快拍数为Mf。具体实现时，采样速率根据实际应用中的需要进行设定，本专利技术实施例对此不做限制。102：对得到的L路信号样本做Mf点DFT，利用Tsui频谱校正器[本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多信源频率与DOA联合检测的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：对L路信号样本做Mf点DFT，利用Tsui频谱校正器对DFT结果进行频率和相位校正，得到校正后的D组频率、相位、幅值的参数组，利用参数组构造出D个方向矢量；将D个方向矢量按照最小距离进行分组匹配，得出D个信源参数匹配信息；根据D个信源参数匹配信息构造频率余数组，并将频率余数组带入闭式鲁棒中国余数定理模型进行重构，得出频率估计值；根据D个信源参数匹配信息得出L‑1个相位差，并构造相位余数组，将相位余数组与重构模值组带入闭式鲁棒CRT重构得到中间参数，计算出DOA估计值。

【技术特征摘要】
1.一种多信源频率与DOA联合检测的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：对L路信号样本做Mf点DFT，利用Tsui频谱校正器对DFT结果进行频率和相位校正，得到校正后的D组频率、相位、幅值的参数组，利用参数组构造出D个方向矢量；将D个方向矢量按照最小距离进行分组匹配，得出D个信源参数匹配信息；根据D个信源参数匹配信息构造频率余数组，并将频率余数组带入闭式鲁棒中国余数定理模型进行重构，得出频率估计值；根据D个信源参数匹配信息得出L-1个相位差，并构造相位余数组，将相位余数组与重构模值组带入闭式鲁棒CRT重构得到中间参数，计算出DOA估计值。2.根据权利要求1所述的一种多信源频率与DOA联合检测的方法，其特征在于，所述L路信号具体为：设置包含L个阵元的稀疏线性天线阵列，每个阵元位置布置两个ADC采样器；各阵元的两个ADC采样器分别以fs1,fs2两种采样速率对入射信号进行并行欠采样，每个阵元采集的快拍数为Mf。3.根据权利要求1所述的一种多信源频率与DOA联合检测的方法，其特征在于，所述方法还包括：多信源参数分组匹配。4.根据权利要求3所述的一种多信源频率与DOA联合检测的方法，其特征在于，所述方法多信源参数分组匹配具体为：对于同一信源，构造得到的导向矢量距离非常近，即：其中，D为检测目标数目；ci为匹配分组；确定两路序列中D个谱峰对应情况，并将同一信源参数匹配分组。5.根据权利要求3所述的一种多信源频率与DOA联合检测的方法，其特征在于，所述根据D个信源参数匹配信息构造频率余数组，并将频率余数组带入闭式鲁棒中国余数定理模型进行重构，得出频率估计值具体为：根据多信源参...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄翔东，刘明卓，李长滨，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12