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和构建所述互质线性子阵列对的虚拟接收信号；步骤3：基于所述互质线性子阵列对的虚拟接收信号估计所述至少一个信源的DOA的数值。能够适用于阵列尺寸受限及实时性要求高的场合，可有效地以较少的阵元提供低复杂度、高准确度的波达方向估计。

【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)估计是阵列信号处理中的重要研究内容，在雷达、声呐等领域应用广泛。按照一定规律将多个天线排列构成天线阵列，可用来测定辐射源的来波方向，从而实现辐射源的测向。在民用领域，快速准确的测向定位是实现无线电频谱监测、非法用频设备(如伪基站、黑广播等)查找与定位的迫切要求。在军事领域，快速、准确、隐蔽地对目标辐射源进行测向定位，既能最大限度保护己方，又能精准打击敌方军事目标，是关乎战争结果的重要因素。传统波达方向估计方法，如多重信号分类(MUSIC)、旋转不变技术估计算法(ESPRIT)，利用N天线均匀线性阵列时，最多可分辨N-1个信号源。为提高分辨能力，非均匀的阵列结构(如互质阵列)逐渐引起了研究者的重视。互质阵列由呈互质关系的两个均匀子阵构成，可检测多于天线数目的辐射源。由于DOA估计性能受到阵列孔径的限制，在尺寸受限的场合下布设大孔径阵列天线非常困难，导致估计性能不高。同时二维空间谱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和构建所述互质线性子阵列对的虚拟接收信号；步骤3：基于所述互质线性子阵列对的虚拟接收信号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，Ak为信号振幅，ωk为信号频率，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：基于第一线性子阵列的实际接收信号x1(t)和第二线性子阵列的实际接收信号x2(t)，计算和构建所述互质线性子阵列对的虚拟接收信号R1(τ)和R2(τ)：其中，其中，上标*表示共轭运算，Rs(τ)表示K个信源信号在不同时刻下的自相关矢量，A1、A2分别表示不同阵列沿y轴的流型矩阵，R(1)(τ)和R(2)(τ)分别表示以第一线性子阵列的第一个阵元(an,bn)＝(0,0)为中心，经共轭增广处理后的虚拟接收信号矢量，R(1′)(τ)和R(2′)(τ)分别表示以第二线性子阵列的第一个阵元为中心，经共轭增广处理后的虚拟接收信号矢量，和R(1-)(τ)分别为矩阵和(R(1)(-τ))*的倒数M1-1行子矩阵，R(1′-)(τ)表示矩阵(R(1′)(-τ))*的倒数M1-1行子矩阵，和R(2′-)(τ)分别为和(R(2′)(-τ))*的倒数M2-1行子矩阵，其中，表示通过第一线性子阵列和第二线性子阵列的两个阵元处的实际接收信号之间的相关运算所直接得到的虚拟接收信号，xm(t)和xn(t)分别表示由所述x轴和y轴所确定的平面坐标系中的(am,bm)和(an,bn)位置处的两个阵元的实际接收信号，所述对应中以第一线性子阵列的第一个阵元(an,bn)＝(0,0)为中心的情况，对应中以第二线性子阵列的第一个阵元为中心的情况。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：对所述互质线性子阵列对的虚拟接收信号R1(τ)和R2(τ)进行相关运算得到虚拟协方差矩阵RC，对虚拟协方差矩阵RC的矩阵表达式进行矢量化处理；步骤3-2：基于经过矢量化处理的虚拟协方差矩阵RC的表达式，使用一维字典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：通过以下公式对虚拟协方差矩阵RC的矩阵表达式进行矢量化处理，seqv＝[Rs(Ts),Rs(2Ts),…,Rs(NPTs)]，Reqv＝E[seqv(seqv)H]，其中，上标H表示共轭转置运算，r为等效接收矢量，为等效阵列流型矩阵，符号⊙表示Khatri-Rao乘积，u为与真实相位β相关的等效信源矢量，seqv为等效信号矢量，Ts为等效抽样周期，NP是等效快拍数，Reqv为对角矩阵，其第k个对角元素为矩阵ΦReqv亦为对角矩阵。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：基于一维字典{θ1,θ2,…,θD}(D＞＞K)进行迭代运算，直至获得与一维字典中各栅格点一一对应的能量值矢量ρ＝[ρ1,ρ1,…,ρD]T的估计值矢量对于第i次迭代，包括以下步骤：固定Θ(i-1)，按照下式对能量值矢量ρ进行更新，得到ρ(i)，固定ρ(i)，按照公式更新Θ(α)，或者，按照公式更新α(i)，其中，为变量α的梯度变化最大的方向，μα为步长，步骤3-2-2：将估计值矢量中的第k个非零项所对应的角度值作为第k个夹角ak的角度估计值，并且按照下式获取相应的夹角βk的角度估计值，其中，表示中的第k个非零元素。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；虚拟接收信号计算和构建模块，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和构建所述互质线性子阵列对的虚拟接收信号；DOA估计模块，其与虚拟接收信号计算和构建模块连接，用于基于所述互质线性子阵列对的虚拟接收信号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：本文档来自技高网...

【技术保护点】
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和构建所述互质线性子阵列对的虚拟接收信号；步骤3：基于所述互质线性子阵列对的虚拟接收信号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和构建所述互质线性子阵列对的虚拟接收信号；步骤3：基于所述互质线性子阵列对的虚拟接收信号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λ2，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，Ak为信号振幅，ωk为信号频率，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：基于第一线性子阵列的实际接收信号x1(t)和第二线性子阵列的实际接收信号x2(t)，计算和构建所述互质线性子阵列对的虚拟接收信号R1(τ)和R2(τ)：其中，其中，上标*表示共轭运算，Rs(τ)表示K个信源信号在不同时刻下的自相关矢量，A1、A2分别表示沿y轴的不同虚拟流型矩阵，R(1)(τ)和R(2)(τ)分别表示以第一线性子阵列的第一个阵元(an,bn)＝(0,0)为中心，经共轭增广处理后的虚拟接收信号矢量，R(1′)(τ)和R(2′)(τ)分别表示以第二线性子阵列的第一个阵元为中心，经共轭增广处理后的虚拟接收信号矢量，和R(1-)(τ)分别表示矩阵和(R(1)(-τ))*的倒数M1-1行子矩阵，R(1′-)(τ)表示矩阵(R(1′)(-τ))*的倒数M1-1行子矩阵，和R(2′-)(τ)分别表示和(R(2′)(-τ))*的倒数M2-1行子矩阵，其中，表示通过第一线性子阵列和第二线性...

【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