多信源波达方向估计方法技术

本发明专利技术属于无线电信号定位技术领域，特别涉及一种多信源波达方向估计方法，包含：获取阵列接收天线信号输出矢量，根据信号输出矢量构造四阶累积量矩阵；对四阶累积量矩阵进行抽取平滑处理，得到新四阶累积量矩阵；对新四阶累积量矩阵进行特征值分解，得到噪声子空间和信号子空间对应的特征向量；根据噪声子空间的特征向量，构造空间谱函数；返回，通过增加多快拍数，获取对应快拍数下的空间谱函数；将各快拍数的空间谱函数进行平滑处理，通过谱峰搜索，确定空间信源的波达方向。本发明专利技术通过构建四阶累积量矩阵，降低矩阵维数，减少运算量，通过多快拍空间谱函数平滑计算，实现对更多信号的波达方向估计，降低测量误差对空间谱估计的影响。

Estimation of direction of arrival of multiple sources

The invention belongs to the field of radio signal positioning technology, in particular to a method of estimating the direction of arrival of multiple sources. It includes: obtaining the output vector of the array receiving antenna signal, constructing the four order cumulant matrix according to the output vector of the signal, extracting the four order cumulant matrix and smoothing it, and getting the new fourth order cumulant matrix; The eigenvalue decomposition of the new fourth order cumulant matrix is carried out, and the eigenvectors corresponding to the noise subspace and the signal subspace are obtained. The spatial spectral functions are constructed according to the eigenvectors of the noise subspace, and the spatial spectral functions under the number of corresponding snapshots are obtained by increasing the number of fast beat, and the spatial spectral functions of the number of the snapshots are carried out. The direction of arrival of the spatial sources is determined by smoothing the spectral peaks. By constructing the four order cumulant matrix, the dimension of the matrix is reduced and the computation is reduced. The estimation of the direction of arrival of the more signals is realized by the smooth calculation of the spatial spectrum function of the multiple snapshots, and the influence of the measurement error to the spatial spectrum estimation is reduced.

【技术实现步骤摘要】
多信源波达方向估计方法
本专利技术属于无线电信号定位
，特别涉及一种多信源波达方向估计方法。
技术介绍
近年来，随着数字信号处理技术的发展，波达方向估计在雷达、声呐、地质探测以及射电天文等领域的应用更加广泛。伴随着电磁环境日益复杂，对波达方向估计的要求变得更高，然而传统的一些波达方向估计技术受限于天线阵规模，无法对过多的空间信源实现准确估计。众多学者在基于四阶累积量的虚拟阵元基础上，寻找实现阵列扩展的方法，在一定程度上增加了对空间信源估计的数量，其中，MUSIC-LIKE算法为均匀线阵的可识别空间信源数增加提供了新的思路；进一步有人提出阵列流型矩阵的KroneckerProduct矩阵的秩对可识别信源数的影响，并增加了均匀线阵估计空间信源的数量，这些算法虽然实现了阵元的扩展，但存在着计算量较大的不足。基于阵列扩展原理，有学者提出MFOC-MUSIC算法，在一定程度上实现了矩阵维数的降低，降低了运算量，但该扩展算法可以估计的信源数量还是受阵元数量的限制。
技术实现思路
针对传统DOA算法中存在天线阵列对估计信源数量限制等问题，本专利技术提供一种多信源波达方向估计方法，通过构建四阶累积量矩阵，降低矩阵维数，减少运算量，通过多快拍空间谱函数平滑计算，实现对更多信号的波达方向估计，有效降低测量误差对空间谱估计的影响。按照本专利技术所提供的设计方案，一种多信源波达方向估计方法，包含如下内容：步骤1、获取阵列接收天线信号输出矢量，根据信号输出矢量构造四阶累积量矩阵；步骤2、对四阶累积量矩阵根据扩展阵列矢量的特点进行抽取平滑处理，得到新四阶累积量矩阵；步骤3、对新四阶累积量矩阵进行特征值分解，得到噪声子空间和信号子空间对应的特征向量；步骤4、根据噪声子空间的特征向量，构造空间谱函数；步骤5、返回步骤1，通过增加多快拍数，获取对应快拍数下的空间谱函数；步骤6、将各快拍数的空间谱函数进行平滑处理，通过谱峰搜索，确定空间信源的波达方向。上述的，步骤1中四阶累积量矩阵表示为：其中，X表示信号输出矢量，表示KroneckerProduct矩阵运算，其阵列导引矢量表示为：τ(θ)是入射角为θ的远场信号产生的时间延迟，C维数为M2*M2，b(θ)维数为1*M2，M为接收天线数目，m＝1,2…M。优选的，步骤2中抽取平滑处理，包含：根据扩展天线在四阶累积量矩阵所处位置，剔除阵列导引矢量中的重复阵元信息，保留实阵元阵列和虚拟阵元阵列，得到新阵列导向矢量，将出现在不同位置上的相同虚拟阵元数据进行求和平均，获取新虚拟阵元，得到新四阶累积量矩阵。更进一步的，新阵列导向矢量表示为：b'(θ)＝[1,ejωτ(θ)…,ejω(m-1)τ(θ),e-jωτ(θ),e-jω2τ(θ),e-jω3τ(θ),…,e-jω(m-1)τ(θ)]T。上述的，步骤4中空间谱函数表示为：Unoise表示噪声子空间的特征向量。本专利技术的有益效果：本专利技术针对天线阵规模对空间信源的识别的限制，基于MFOC-MUSIC算法的基础上，采用对多快拍的空间谱函数平滑的方法，通过对多快拍数的空间谱函数平滑实现对多空间信源估计，通过对虚拟阵元的平滑，将MFOC-MUSIC中剔除的冗余信息进行叠加平滑，分配到对应的虚拟阵元中，增加快拍数，并将各快拍的空间谱函数进行平滑，实现对测量误差的降低，降低测量误差的影响，提升四阶累积量矩阵的信息利用率，通过对快拍空间谱函数结果的平滑，提高波达估计算法的分辨率和空间信源识别数量，具有较强的实际应用价值。附图说明：图1为本专利技术的流程示意图；图2为实施例中均匀线阵模型示意图；图3为实施例中实施例中虚拟阵元平滑模型；图4为仿真实验中现有MFOC-MUSIC算法与本专利技术平滑MUSIC-LIKE算法的结果对比图；图5为仿真实验中快拍数为2048时现有MFOC-MUSIC算法与本专利技术平滑MUSIC-LIKE算法的结果对比图；图6为仿真实验中MFOC-MUSIC算法快拍点为2048及本专利技术平滑MUSIC-LIKE算法快拍点数设计为512时的结果对比图；图7为仿真实验中本专利技术MFOC-MUSIC算法进行快拍数循环测试结果曲线图；图8为仿真实验中随信噪比变化的估计误差曲线示意图；图9为仿真实验中随天线数变化的估计误差曲线图。具体实施方式：下面结合附图和技术方案对本专利技术作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本专利技术的实施方式，但本专利技术的实施方式并不限于此。针对传统DOA算法中存在的天线阵对估计信源数量限制的问题，本专利技术提供一种多信源波达方向估计方法，参见图1所示，包含如下内容：101、获取阵列接收天线信号输出矢量，根据信号输出矢量构造四阶累积量矩阵；102、对四阶累积量矩阵进行抽取平滑处理，得到新四阶累积量矩阵；103、对新四阶累积量矩阵进行特征值分解，得到噪声子空间和信号子空间对应的特征向量；104、根据噪声子空间的特征向量，构造空间谱函数；105、返回步骤101，通过增加多快拍数，获取对应快拍数下的空间谱函数；106、将各快拍数的空间谱函数进行平滑处理，通过谱峰搜索，确定空间信源的波达方向。通过构建新的四阶累积量矩阵，降低矩阵维数，减少运算量，通过多快拍空间谱函数平滑计算，实现对更多信号的波达方向估计。根据扩展天线在四阶累积量矩阵所处位置，剔除阵列导引矢量中的重复阵元信息，保留实阵元阵列和虚拟阵元阵列，得到新阵列导向矢量，将出现在不同位置上的相同虚拟阵元数据进行求和平均，获取新虚拟阵元，得到新四阶累积量矩阵。通过对四阶累积量扩展出来的虚拟阵元的平滑，降低测量误差对空间谱估计的影响。假设存在N个远场信号，分别从不同的方向θ入射到由M个天线构成的均匀线阵中，模型如图2所示，线阵中天线之间的距离λ为入射波波长。各远场信号都为非高斯信号，假设各信号与噪声相互独立。则阵列接收天线的输出矢量X(t)＝[x1(t)x2(t)…xm(t)]可表示为：X(t)＝A*S(t)+N(t)。表示的是同时到达均匀线阵的N个远场信号源；N(t)表示的是信号叠加的噪声；A表示阵列接收天线的阵列流型：A＝[a(θ1),a(θ2),...,a(θN)]，a(θn)(m＝1,2…N)为M维的列向量，τm(θn)是入射角为θn的远场信号在第m个天线上和参考天线由于距离的原因而产生的时间延迟。则以接收到信号的第一个天线为参考天线，后续天线接收到的信号可以表示为xn(t)＝x1(t)ejωmτ。四阶累积量实现阵列扩展是基于四阶累积量的阵列信号处理算法的一个重要特点。四阶累积量可以从两个方面实现阵列扩展，一是展宽阵列的有效孔径，使得测向性能得到提高；另一点是增加有效的阵元数目，这是突破子空间算法对空间信源数限制的根本。MUSIC-LIKE算法由阵列接收天线的输出矢量X构造四阶累积量矩阵：，式中，表示KroneckerProduct，对于均匀线阵，其阵列导引矢量为：a(θ)＝[1,ejωτ(θ)…,ejω(m-1)τ(θ)]T(4)与传统的MUSIC算法相似，MUSIC-LIKE算法对(1)式进行分解，可以得到N个较大的特征值，和MUSIC算法相同，由特征向量构造出对应的信号子空间和噪声子空间，将噪声子空间的特征向量代入到MUSIC-LIKE算法的空间谱函数中：，Unoise表示噪声子空间的特征本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多信源波达方向估计方法，其特征在于，包含如下步骤：步骤1、获取阵列接收天线信号输出矢量，根据信号输出矢量构造四阶累积量矩阵；步骤2、对四阶累积量矩阵根据扩展阵列矢量特点进行抽取平滑处理，得到新四阶累积量矩阵；步骤3、对新四阶累积量矩阵进行特征值分解，得到噪声子空间和信号子空间对应的特征向量；步骤4、根据噪声子空间的特征向量，构造空间谱函数；步骤5、返回步骤1，通过增加多快拍数，获取对应快拍数下的空间谱函数；步骤6、将各快拍数的空间谱函数结果进行平滑处理，通过谱峰搜索，确定空间信源的波达方向。

【技术特征摘要】
1.一种多信源波达方向估计方法，其特征在于，包含如下步骤：步骤1、获取阵列接收天线信号输出矢量，根据信号输出矢量构造四阶累积量矩阵；步骤2、对四阶累积量矩阵根据扩展阵列矢量特点进行抽取平滑处理，得到新四阶累积量矩阵；步骤3、对新四阶累积量矩阵进行特征值分解，得到噪声子空间和信号子空间对应的特征向量；步骤4、根据噪声子空间的特征向量，构造空间谱函数；步骤5、返回步骤1，通过增加多快拍数，获取对应快拍数下的空间谱函数；步骤6、将各快拍数的空间谱函数结果进行平滑处理，通过谱峰搜索，确定空间信源的波达方向。2.根据权利要求1所述的多信源波达方向估计方法，其特征在于，步骤1中四阶累积量矩阵表示为：其中，X表示信号输出矢量，表示KroneckerProduct矩阵运算，其阵列导引矢量表示为：τ(θ)是入射角为θ的远场信号产生的时间延迟，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王学成，马金全，岳春生，彭华，王雅琪，杨平平，谢宗甫，张政，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学，
类型：发明
国别省市：河南,41