一种平面阵列DOA估计方法及设备技术

本发明专利技术公开了一种平面阵列DOA估计方法及设备。所述平面阵列DOA估计方法包括：步骤1：使用平面阵列接收来自至少一个信源的信号，所述平面阵列包括至少一个平行互质阵列，所述平行互质阵列包括相互平行的互质线性子阵列对；步骤2：基于所述互质线性子阵列对的实际接收信号，计算所述互质线性子阵列对的两个线性子阵列各自的实际接收信号的自协方差矩阵、以及两个线性子阵列的实际接收信号之间的互协方差矩阵；步骤3：基于所述自协方差矩阵和互协方差矩阵估计所述至少一个信源的DOA的数值。解决了二维空间谱搜索及角度配对等导致算法复杂度高的问题，能够以较低的复杂度实现高精度的波达方向估计，适于实时性要求高的场合。

A method and equipment for DOA estimation of planar array

The invention discloses a plane array DOA estimation method and device. The planar array DOA estimation method includes: Step 1: using a plane array to receive signals from at least one source, the planar array including at least one parallel reciprocal array, including parallel reciprocal linear subarray pairs; step 2: actual connection based on the linear subarray pair of the said reciprocal line. A signal is received to calculate the covariance matrix of the actual received signals of each of the two linear subarrays of the linear subarray pair and the mutual covariance matrix between the actual received signals of the two linear subarrays; step 3: the DOA of at least one source is estimated based on the self covariance matrix and the covariance matrix difference matrix. The numeric value. It can solve the problem of high complexity of the two dimensional spatial spectrum search and angle pairing, which can achieve high precision in the direction of arrival with low complexity, which is suitable for high real-time performance.

【技术实现步骤摘要】
一种平面阵列DOA估计方法及设备
本专利技术涉及通信信号处理领域，尤其涉及一种平面阵列DOA估计方法及设备。
技术介绍
波达方向(DOA)估计是雷达、声呐及无线通信等诸多领域的重要研究内容。利用多天线构成阵列可用来估计信号的来波方向。然而，传统的天线阵列通常受到相邻阵元间隔不大于半波长的制约，导致天线数一定时，阵列孔径受到限制。目前，一种称为互质阵列的天线阵列结构突破了半波长的限制而受到了广泛关注，可以有效提升角度的估计性能。但是目前的研究大多集中于一维线性阵列，无法满足二维DOA估计的需要。另外，在传统二维DOA估计研究中，估计性能受到阵列孔径的限制，在尺寸受限时布设大孔径阵列天线非常困难，导致估计性能不好。同时二维空间谱的完全搜索和二维角度配对将导致计算复杂度过高，因此，难以应用至实时性要求高的场合。因此，至少需要提出新的技术方案来对现有技术方案的不足之处进行改进。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。根据本专利技术的平面阵列DOA估计方法，包括：步骤1：使用平面阵列接收来自至少一个信源的信号，所述平面阵列包括至少一个平行互质阵列，所述平行互质阵列包括相互平行的互质线性子阵列对；步骤2：基于所述互质线性子阵列对的实际接收信号，计算所述互质线性子阵列对的两个线性子阵列各自的实际接收信号的自协方差矩阵、以及两个线性子阵列的实际接收信号之间的互协方差矩阵；步骤3：基于所述自协方差矩阵和互协方差矩阵估计所述至少一个信源的DOA的数值。根据本专利技术的平面阵列DOA估计方法，所述相互平行的互质线性子阵列对包括：第一线性子阵列和第二线性子阵列，所述第一线性子阵列包含M1个阵元，所述M1个阵元沿y轴方向以M2λ/2为间隔进行布置，所述第二线性子阵列包含M2个阵元，所述M2个阵元沿y轴方向以M1λ/2为间隔进行布置，所述第一线性子阵列的第一个阵元和所述第二线性子阵列的第一个阵元沿x轴方向对齐且间隔小于或等于λ/2，其中，M1和M2是互质的正整数，λ为信号波长。根据本专利技术的平面阵列DOA估计方法，所述步骤2包括：步骤2-1：获取所述互质线性子阵列对的实际接收信号x1(t)和x2(t)，其中，x1(t)和x2(t)分别表示第一线性子阵列和第二线性子阵列在t时刻的实际接收信号，矩阵A1＝[a1(α1),…,a1(αK)]和A2＝[a2(α1),…,a2(αK)]分别表示第一线性子阵列和第二线性子阵列沿y轴的流型矩阵，和分别表示第一线性子阵列和第二线性子阵列对于第k个信源的导向矢量，矩阵为对角矩阵，s(t)＝[s1(t),s2(t),…,sK(t)]T为由入射角度分别为(αk,βk),k＝1,2,…,K,(K≥1)的K个信源信号组成的信号矢量，上标T表示转置运算，αk表示入射方向与y轴之间的夹角，βk表示入射方向与x轴之间的夹角，矢量n1(t)和n2(t)分别表示第一线性子阵列和第二线性子阵列所实际接收到的均值为零、方差为的加性高斯白噪声矢量，矢量n1(t)和n2(t)与信号矢量s(t)不相关；步骤2-2：计算所述互质线性子阵列对的两个线性子阵列各自的实际接收信号的自协方差矩阵R1和R2、以及两个线性子阵列的实际接收信号之间的互协方差矩阵R12：其中其中，H表示共轭转置运算，和分别表示M1和M2阶单位阵，Φ和Rs都是对角阵，表示对角阵。根据本专利技术的平面阵列DOA估计方法，所述步骤3包括：步骤3-1：对所述互协方差矩阵R12的表达式进行矢量化处理；步骤3-2：基于所述自协方差矩阵R1和R2、以及经过矢量化处理的所述互协方差矩阵R12的表达式，使用一维搜索来估计所述至少一个信源的DOA的数值。根据本专利技术的平面阵列DOA估计方法，所述步骤3-1包括：通过以下公式对所述互协方差矩阵R12的表达式进行矢量化处理，其中，其中，⊙表示Khatri-Rao积，*表示共轭运算，u表示矩阵ΦRs对角线上的元素所构成的向量。根据本专利技术的平面阵列DOA估计方法，所述步骤3-2包括：步骤3-2-1：通过以下公式对所述自协方差矩阵R1和R2进行特征值分解，求取第k个信源与平行互质阵列之间的夹角αk的估计值其中，i＝1,2,，和分别表示自协方差矩阵经过特征值分解后的信号部分和噪声部分，表示第k个信源与两个线性子阵列各自的参考阵元之间的夹角ai,k的估计值，表示角度搜索区域，Δmin,i表示最小搜索间隔；步骤3-2-2：通过以下公式求取第k个信源与平行互质阵列之间的夹角βk的估计值其中，其中，分别表示矩阵A、A1、A2的估计，表示矩阵的伪逆。根据本专利技术的平面阵列DOA估计设备，所述设备包括平面阵列、处理器和存储有可执行指令的存储器，所述平面阵列包括至少一个平行互质阵列，所述平行互质阵列包括相互平行的互质线性子阵列对，所述处理器执行所述可执行指令来完成根据上文所述的方法中的步骤。根据本专利技术的平面阵列DOA估计设备，包括：平面阵列模块，用于接收来自至少一个信源的信号，所述平面阵列模块包括至少一个平行互质阵列，所述平行互质阵列包括相互平行的互质线性子阵列对；协方差矩阵计算模块，其与平面阵列模块连接，用于基于所述互质线性子阵列对的实际接收信号，计算所述互质线性子阵列对的两个线性子阵列各自的实际接收信号的自协方差矩阵、以及两个线性子阵列的实际接收信号之间的互协方差矩阵；DOA估计模块，其与协方差矩阵计算模块连接，用于基于所述自协方差矩阵和互协方差矩阵估计所述至少一个信源的DOA的数值。本专利技术的优点在于：解决了二维空间谱搜索及角度配对等导致算法复杂度高的问题，能够以较低的复杂度实现高精度的波达方向估计，适于实时性要求高的场合。附图说明通过阅读下文具体实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出具体实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1示出了根据本专利技术实施方式的平面阵列DOA估计方法的示意流程图。图2示出了根据本专利技术实施方式的相互平行的互质线性子阵列的结构示意图。图3示出了包括根据本专利技术实施方式的平面阵列DOA估计方法在内的几种不同估计方法的均方根误差与信噪比之间的关系示意图。图4示出了包括根据本专利技术实施方式的平面阵列DOA估计方法在内的几种不同估计方法的均方根误差与快拍数之间的关系示意图。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。图1示出了根据本专利技术实施方式的平面阵列DOA估计方法100的示意流程图。如图1所示，平面阵列DOA估计方法100包括以下步骤：步骤S102：使用平面阵列接收来自至少一个信源的信号，所述平面阵列包括至少一个平行互质阵列，所述平行互质阵列包括相互平行的互质线性子阵列对。步骤S104：基于所述互质线性子阵列对的实际接收信号，计算所述互质线性子阵列对的两个线性子阵列各自的实际接收信号的自协方差矩阵、以及两个线性子阵列的实际接收信号之间的互协方差矩阵。步骤S106：基于所述自协方差矩阵和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平面阵列DOA估计方法，其特征在于，包括：步骤1：使用平面阵列接收来自至少一个信源的信号，所述平面阵列包括至少一个平行互质阵列，所述平行互质阵列包括相互平行的互质线性子阵列对；步骤2：基于所述互质线性子阵列对的实际接收信号，计算所述互质线性子阵列对的两个线性子阵列各自的实际接收信号的自协方差矩阵、以及两个线性子阵列的实际接收信号之间的互协方差矩阵；步骤3：基于所述自协方差矩阵和互协方差矩阵估计所述至少一个信源的DOA的数值。

【技术特征摘要】
1.一种平面阵列DOA估计方法，其特征在于，包括：步骤1：使用平面阵列接收来自至少一个信源的信号，所述平面阵列包括至少一个平行互质阵列，所述平行互质阵列包括相互平行的互质线性子阵列对；步骤2：基于所述互质线性子阵列对的实际接收信号，计算所述互质线性子阵列对的两个线性子阵列各自的实际接收信号的自协方差矩阵、以及两个线性子阵列的实际接收信号之间的互协方差矩阵；步骤3：基于所述自协方差矩阵和互协方差矩阵估计所述至少一个信源的DOA的数值。2.根据权利要求1所述的平面阵列DOA估计方法，其特征在于，所述相互平行的互质线性子阵列对包括：第一线性子阵列和第二线性子阵列，所述第一线性子阵列包含M1个阵元，所述M1个阵元沿y轴方向以M2λ/2为间隔进行布置，所述第二线性子阵列包含M2个阵元，所述M2个阵元沿y轴方向以M1λ/2为间隔进行布置，所述第一线性子阵列的第一个阵元和所述第二线性子阵列的第一个阵元沿x轴方向对齐且间隔小于或等于λ/2，其中，M1和M2是互质的正整数，λ为信号波长。3.根据权利要求2所述的平面阵列DOA估计方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤2-1：获取所述互质线性子阵列对的实际接收信号x1(t)和x2(t)，其中，x1(t)和x2(t)分别表示第一线性子阵列和第二线性子阵列在t时刻的实际接收信号，矩阵A1＝[a1(α1),…,a1(αK)]和A2＝[a2(α1),…,a2(αK)]分别表示第一线性子阵列和第二线性子阵列沿y轴的流型矩阵，和分别表示第一线性子阵列和第二线性子阵列对于第k个信源的导向矢量，矩阵为对角矩阵，s(t)＝[s1(t),s2(t),…,sK(t)]T为由入射角度分别为(αk,βk),k＝1,2,…,K,(K≥1)的K个信源信号组成的信号矢量，上标T表示转置运算，αk表示入射方向与y轴之间的夹角，βk表示入射方向与x轴之间的夹角，矢量n1(t)和n2(t)分别表示第一线性子阵列和第二线性子阵列所实际接收到的均值为零、方差为的加性高斯白噪声矢量，矢量n1(t)和n2(t)与信号矢量s(t)不相关；步骤2-2：计算所述互质线性子阵列对的两个线性子阵列各自的实际接收信号的自协方差矩阵R1和R2、以及两个线性子阵列的实际接收信号之间的互协方差矩阵R12：其中，其中，H表示共轭转置运算，IM1和IM2分别是M1和M2阶单位阵，Φ和Rs都是对角阵，表示对角阵。4.根据权利要求3所述的平面阵列DOA估计方法，其特征在于，所述步...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰鹏，孙丰刚，孙波，
申请(专利权)人：山东农业大学，
类型：发明
国别省市：山东,37