一种均匀圆阵二维波达方向快速估计方法技术

本发明专利技术涉及一种均匀圆阵二维波达方向快速估计方法，属于波达方向估计技术领域。该方法先根据圆阵阵元实际位置构造一个正交十字虚拟参考阵列，将二维角度空间均匀划分成多个网格并确定每个网格的中心方向；然后将每个网格中心方向作为初始相位补偿角，分别计算出针对x轴虚拟线阵和y轴虚拟线阵的两个相位补偿矩阵并对估计得到的信号子空间分别进行相位补偿；再施行经典二维ESPRIT算法，得到两个子空间拟合矩阵，联合其特征值分解后的特征向量以及特征值，获得新的二维角度估计并作为新的相位补偿角进行迭代相位补偿，直到获得稳定收敛的角度估计并作为信号的波达方向估计。本发明专利技术能快速获得基于均匀圆阵二维波达方向估计，并且估计结果具有统计无偏性。

A method for fast estimation of two dimensional wave direction in a uniform circular array

The present invention relates to a fast estimation method of two dimensional wave direction in a uniform circular array, which belongs to the field of the estimation of the direction of arrival. Firstly, according to the actual position of circular array to construct a virtual orthogonal cross reference array, two-dimensional angle space evenly divided into a plurality of grids and determine the direction of the center of each grid; then the direction of the center of each grid as the initial phase angle compensation, calculate the signal subspace for two axis virtual line matrix X phase compensation the Y axis linear array and virtual and the estimated space were phase compensation; re implementation of the classic two-dimensional ESPRIT algorithm, obtained two subspace fitting matrix, combined with the eigenvalue decomposition of the eigenvectors and eigenvalues, obtain new two-dimensional angle estimation and phase compensation as the new angle of iterative phase compensation. Until the convergence angle estimation and DOA estimation as a signal. The invention can quickly obtain the two dimensional wave of arrival estimation based on the uniform circular array, and the estimated results have statistical unbiased.

【技术实现步骤摘要】
一种均匀圆阵二维波达方向快速估计方法
本专利技术属于波达方向/空间谱估计
，涉及一种均匀圆阵二维波达方向快速估计方法。
技术介绍
空间信号的二维波达方向(2DDoA，2-DimentionDirection-of-Arrival)估计，或者称为二维空间谱(SpatialSpectrum)估计技术，是在一维DoA估计技术的基础上发展而来的，具有较大的实用价值。利用相控阵列，结合先进的DoA估计技术对空间目标进行定位，已经在雷达、声纳、气象预测、天文观测等领域有着大量应用。新一代宽带无线通信系统，如4G/5G，利用“智能天线”来准确估计用户的方向，从而利用波束成形技术生成窄的无线波束与之通信，能有效降低系统能耗，从而提高系统容量。此外在地震源的确定，射线断层成像等都需要用到DoA估计技术。由于均匀圆阵((UCA，UniformCircularArray)能提供方位角和俯仰角上的2DDoA分辨能力，而且由于它具有的圆对称性，沿360度方位角方向上的分辨能力基本相同，因此得到了大量的应用和研究。基于UCA的2DDoA估计研究一直是DoA估计领域的重点和热点内容，要求估计结果有着较高的可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种均匀圆阵二维波达方向快速估计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：由均匀圆阵的阵元位置坐标构造一个十字正交虚拟参考阵列；S2：将二维角度参数空间均匀划分成多个网格，确定每个网格的中心方向；S3：由接收到的阵列快拍数据获得信号子空间的估计；S4：将步骤S2中划分得到的网格进行顺序编号，选定最小编号网格；S5：指定选定网格的中心方向为相位补偿角，并记为对应该网格的初始相位补偿角；S6：计算出基于相位补偿角的两个相位补偿矩阵，并用两个相位补偿矩阵分别对步骤S3中估计得到的信号子空间进行相位补偿，得到两个经过相位补偿后的信号子空间，接着对经过相位补偿后的两个信号子空间施行经典2D ESPRI...

【技术特征摘要】
1.一种均匀圆阵二维波达方向快速估计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：由均匀圆阵的阵元位置坐标构造一个十字正交虚拟参考阵列；S2：将二维角度参数空间均匀划分成多个网格，确定每个网格的中心方向；S3：由接收到的阵列快拍数据获得信号子空间的估计；S4：将步骤S2中划分得到的网格进行顺序编号，选定最小编号网格；S5：指定选定网格的中心方向为相位补偿角，并记为对应该网格的初始相位补偿角；S6：计算出基于相位补偿角的两个相位补偿矩阵，并用两个相位补偿矩阵分别对步骤S3中估计得到的信号子空间进行相位补偿，得到两个经过相位补偿后的信号子空间，接着对经过相位补偿后的两个信号子空间施行经典2DESPRIT算法，得到两个子空间拟合矩阵，然后对两个子空间拟合矩阵进行特征值分解，获得相应的两个特征向量矩阵和对应的特征值；S7：用其中一个特征向量矩阵的共轭转置矩阵与另一个特征向量矩阵相乘得到一个乘积矩阵，判断该乘积矩阵的元素的实部最大值是否大于设定的阈值a，若大于阈值a则结合步骤S6中得到的两个对应特征值联立解出一个二维方向角对并转向S8，否则选定下一个网格并转向步骤S5；S8：比较步骤S7中估得的二维方向角与步骤S6中计算相位补偿矩阵的二维补偿角绝对差，与设定的另一个阈值b的大小，若该绝对差大于阈值b则将估得的该二维方向角设定为新的相位补偿角并转向步骤S6，否则转向步骤S9；S9：判断步骤S7中估得的二维方向角与步骤S5中设置的初始相位补偿角的方位角绝对差是否大于方位角方向网格间隔的一半，并且判断俯仰角绝对差是否大于俯仰角方向上网格间隔的一半，若两者之一不成立则选定下一个网格并转向步骤S5，若两者同时成立则输出该二维方向角为信号的一个二维波达方向估计，同时选定下一个网格并转向步骤S5。2.根据权利要求1所述的一种均匀圆阵二维波达方向快速估计方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：S101：设定实际阵列阵元数为M，十字正交虚拟参考阵列由放置在x轴的虚拟均匀线阵A和y轴上的虚拟均匀线阵B组成，每个虚拟均匀线阵的阵元数都和实际阵列阵元数相同；x轴上的虚拟均匀线阵的两个端阵元的x坐标分别等于实际阵元中x坐标的最大值和最小值，其余虚拟阵元在x轴上均匀分布；y轴上的虚拟均匀线阵的两个端阵元的y坐标分别等于实际阵元中y坐标的最大值和最小值，其余虚拟阵元在y轴上均匀分布；S102：x轴上的虚拟均匀线阵的阵元与实际阵元的对应关系按x坐标的大小顺序关系一一对应，若实际阵元中有多个阵元x坐标相同，则先对应这些x坐标相同阵元中最小y坐标的阵元，再对应这些x坐标相同阵元中最大y坐标的阵元，然后再对应这些x坐标相同阵元中倒数第二小y坐标的阵元，即相同x坐标则按y坐标大小交叉安排对应；S103：y轴上的虚拟均匀线阵的阵元与实际阵元的对应关系按y坐标的大小关系一一对应，若实际阵元中有多个阵元y坐标相同，则先对应这些y坐标相同阵元中最小x坐标的阵元，再对应这些y坐标相同阵元中最大x坐标的阵元，然后再对应这些y坐标相同阵元中倒数第二小x坐标的阵元，即相同y坐标则按x坐标大小交叉安排对应；S104：计算得出x轴上虚拟参考线阵相邻阵元之间的距离dx，即最大x坐标减去最小x坐标，差值再除以间隔个数，即M-1，再计算得出y轴上虚拟参考线阵相邻阵元之间的距离dy，即最大y坐标减去最小y坐标，差值再除以间隔个数，即M-1。3.根据权利要求1所述的一种均匀圆阵二维波达方向快速估计方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：根据预先设定的方位角方向间隔参数和俯仰角方向间隔参数，将方位角区间[0,360°)等间距划分，同时将俯仰角区间[0,90°)等间距划分，即空间角被均匀划分为多个网格，每个网格中心点对应的方位角和俯仰角组成(方位角，俯仰角)对，即为该网格中心方向。4.根据权利要求1所述的一种均匀圆阵二维波达方向快速估计方法，其特征在于：在步骤S6中，所述计算出基于相位补偿角的两个相位补偿矩阵，并用两个相位补偿矩阵分别对步骤S3中估计得到的信号子空间进行相位补偿具体为：S601：根据实际阵列与x轴上虚拟参考均匀线阵的阵元对应关系确定一个M×M的选择矩阵JA，该选择矩阵每一行只有一个元素为1，表示该位置的实际阵元对应以该行号编号的的虚拟参考阵列阵元，其余元素为0，然后用选择矩阵与实际阵列位置矩阵相乘，再减去x轴虚拟均匀线阵位置矩阵即得到实际阵列与x轴参考均匀线阵的位置差矩阵[ΔAx,ΔAy]，再根据该位置差矩阵和相位补偿角(θ,φ)定义一个对角矩阵作为x轴参考阵的相位补偿矩阵：

【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