基于均匀圆阵中心对称性的相干源方向估计方法技术

本发明专利技术提供的是一种基于均匀圆阵中心对称性的相干源方向估计方法。步骤一、对于UCA接收到的数据X(t)，求模式空间转换矩阵T，将数据X(t)乘以转换矩阵T得到模式空间数据Y(t)；步骤二、求共轭平均后的数据Z(t)；步骤三、求取重构的Hermitian Toeplitz矩阵RToe；步骤四、对RToe进行特征分解，利用Root‑MUSIC算法输出相干源DOA的估计结果。本发明专利技术的实现手段简单，计算量小；具有解相干能力强、DOA估计精度高和信噪比门限低的优点。仿真实验结果表明：本发明专利技术能够正确估计相干信源的DOA，分辨率高于MODEFBSS和MODETOEP；在低信噪比和小快拍数时有较强的解相干能力和较高的DOA估计精度。

【技术实现步骤摘要】
基于均匀圆阵中心对称性的相干源方向估计方法
本专利技术涉及的是一种相干源方向估计方法。
技术介绍
阵列处理技术在移动通信、雷达、声呐等领域有着广泛的应用。在实际水声环境中，存在大量的相干信号源，例如海底、海面反射等大量多途信号，主动探测中多个目标的声呐回波，以及声干扰器、声诱饵等人为干扰信号。由于相干信号子空间与噪声子空间的不完全正交会导致MUSIC、ESPRIT等经典的信号子空间类算法性能严重下降，相干源DOA估计一直是阵列信号处理领域的热点问题。与均匀线阵(ULA)相比，均匀圆阵(UCA)可以提供360°无模糊的方位信息，在各个方向具有近似相同的估计精度和分辨力；除此之外，UCA作为平面阵列能够提供二维DOA估计所需要的俯仰角信息。然而，UCA的阵列流形不具有ULA阵列流形的Vandermonde结构，因此空间平滑算法、矩阵重构算法等众多ULA的成熟算法无法直接应用到UCA上。为此，Griffiths提出了基于相位模式激励的UCA方向图合成技术，可以通过模式空间变换算法将圆阵的阵列流型变换成具有Vandermonde结构的矩阵，给解决UCA的相干源DOA估计问题提供了新思路。在此基础上，有人将空间平滑解相干技术应用在UCA上，提出了模式空间平滑(ModeSpatialSmoothing,MODESS)和模式空间前后向空间平滑(ModeForward-BackwardSpatialSmoothing,MODEFBSS)；但是此类算法存在计算量大、平滑次数不易确定的问题。之后，有人提出的一种无需平滑的模式空间Toeplitz矩阵重构算法(ModeToeplitz,MODETOEP)，实现了信号协方差矩阵的对角化，具有较低的信噪比门限；但是MODETOEP没有充分利用均匀圆阵的对称性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种解相干能力强、DOA估计精度高和信噪比门限低的基于均匀圆阵中心对称性的相干源方向估计方法。本专利技术的目的是这样实现的：步骤一、对于UCA接收到的数据X(t)，求模式空间转换矩阵T，将数据X(t)乘以转换矩阵T得到模式空间数据Y(t)；步骤二、求共轭平均后的数据Z(t)；步骤三、求取重构的HermitianToeplitz矩阵RToe；步骤四、对RToe进行特征分解，利用Root-MUSIC算法输出相干源DOA的估计结果。本专利技术中：UCA为均匀圆阵的简称，是指在高分辨阵列测向系统中广泛使用的一种阵列结构；HermitianToeplitz矩阵是指独立信号源的协方差矩阵任意一个对角线上的元素取相同值，且矩阵中的元素满足复共轭对称关系的HermitianToeplitz矩阵。为了解决现有的UCA的相干源DOA估计方法存在的计算量大、平滑次数不易确定、以及不能充分利用均匀圆阵的对称性的问题，本专利技术提供了一种基于均匀圆阵中心对称性的相干源方向估计方法。本专利技术首先利用模式空间转换将均匀圆阵转换为虚拟均匀线阵，使阵列流形具有易于处理的Vandermonde结构；然后对模式空间的阵列数据进行共轭平均处理，成功减弱了环境噪声的影响；最后，求各阵元处理后数据与中心参考阵元的相关值，依此重构一个HermitianToeplitz矩阵实现了信号协方差矩阵的对角化，完成了相干信号源的分辨。与空间平滑类算法相比，本专利技术无需平滑处理、无需计算接收数据协方差矩阵，因此计算量较小。本专利技术的实现手段简单，计算量小；具有解相干能力强、DOA估计精度高和信噪比门限低的优点。仿真实验结果表明：本专利技术能够正确估计相干信源的DOA，分辨率高于MODEFBSS和MODETOEP；在低信噪比和小快拍数时有较强的解相干能力和较高的DOA估计精度。附图说明图1为本专利技术涉及的均匀圆阵模型图；图2为模式空间的虚拟均匀线阵模型图；图3为本专利技术的基本流程图；图4(a)为信噪比为0dB，信号角度为-10°和15°时，分别应用本文算法、MODETOEP、MODEFBSS以及MUSIC算法得到的空间谱估计结果图；图4(b)为信噪比下降到-10dB，信号角度为-10°和15°时，分别应用本文算法、MODETOEP、MODEFBSS以及MUSIC算法得到的空间谱估计结果图；图4(c)为信噪比为0dB，信号角度为-10°和5°时，分别应用本文算法、MODETOEP、MODEFBSS以及MUSIC算法得到的空间谱估计结果图；图5为MODEFBSS、MODETOEP和本专利技术算法的分辨概率实验结果对比图；图6为本专利技术仿真实验过程涉及的分辨概率随快拍数变化曲线图；图7为均方根误差随信噪比变化的DOA估计结果曲线图；图8为均方根误差随快拍数变化的DOA估计结果曲线图。具体实施方式下面举例对本专利技术做更详细的描述。具体实施方式一：本实施方式的基于均匀圆阵中心对称性的相干源方向估计方法，所述的估计方法通过以下步骤实现，步骤一、对于UCA接收到的数据X(t)，求模式空间转换矩阵T，将数据X(t)乘以转换矩阵T得到模式空间数据Y(t)；步骤二、求共轭平均后的数据Z(t)；步骤三、求取重构的HermitianToeplitz矩阵RToe；步骤四、对RToe进行特征分解，利用Root-MUSIC算法输出相干源DOA的估计结果；其中，UCA为均匀圆阵的简称，是指在高分辨阵列测向系统中广泛使用的一种阵列结构；HermitianToeplitz矩阵是指独立信号源的协方差矩阵任意一个对角线上的元素取相同值，且矩阵中的元素满足复共轭对称关系的HermitianToeplitz矩阵。具体实施方式二：与具体实施方式一不同的是，本实施方式的基于均匀圆阵中心对称性的相干源方向估计方法，步骤一所述的求模式空间转换矩阵T的过程即为UCA的阵列流型矩阵A(θ)不具有Vandermonde结构，因此需要先将UCA转换为虚拟的均匀线阵VULA的过程，具体为：利用式T＝J-1F/M求模式空间转换矩阵T，其中：图2表示VULA的阵列模型，K为UCA可激励的最大模式数，且满足2K<M，表示向下取整；F＝[w-K,…,wK]H，wk＝[1,exp(-j2πk/M),…,exp(-j2πk(M-1)/M)]T，k＝-K,…,K，Jk(·)表示阶数为k的第一类Bessel函数；并得到的虚拟阵列流形和模式空间数据相关矩阵，虚拟阵列流形为：可以看出，(2K+1)×(2K+1)阶矩阵Av(θ)具有与ULA阵列流形相同的Vandermonde结构；模式空间数据相关矩阵RY为：式中，因此，经过转换矩阵T实现了从原阵元空间中的UCA到模式空间中的ULA的转换，为在Y(t)的基础上进行解相干处理打下了基础；其中，对于半径为R的均匀圆阵UCA，M表示均匀分布在圆周上各向同性的阵元的个数，N表示入射到阵列上的远场窄带信号的个数；如图1所示，用一个球坐标系描述信号的到达角，以圆心为参考点，方位角θ表示入射信号在x-y平面的投影与x轴沿逆时针方向的夹角，俯仰角表示入射信号与x-y平面之间的夹角，因此有θ∈[0,2π]，第m个阵元与x轴的夹角θm＝2πm/M(m＝0,1,…,M-1)，阵元坐标可以表示为pm＝(Rcosθm,-Rsinθm,0)，信号的方向向量第m个阵元接收信号si(t)(i＝1,2,…,N)相对于参考点的时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于均匀圆阵中心对称性的相干源方向估计方法，其特征是：步骤一、对于UCA接收到的数据X(t)，求模式空间转换矩阵T，将数据X(t)乘以转换矩阵T得到模式空间数据Y(t)；步骤二、求共轭平均后的数据Z(t)；步骤三、求取重构的Hermitian Toeplitz矩阵RToe；步骤四、对RToe进行特征分解，利用Root‑MUSIC算法输出相干源DOA的估计结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于均匀圆阵中心对称性的相干源方向估计方法，其特征是：步骤一、对于UCA接收到的数据X(t)，求模式空间转换矩阵T，将数据X(t)乘以转换矩阵T得到模式空间数据Y(t)；步骤二、求共轭平均后的数据Z(t)；步骤三、求取重构的HermitianToeplitz矩阵RToe；步骤四、对RToe进行特征分解，利用Root-MUSIC算法输出相干源DOA的估计结果。2.根据权利要求1所述的基于均匀圆阵中心对称性的相干源方向估计方法，其特征是：所述的求模式空间转换矩阵T是将UCA转换为虚拟的均匀线阵VULA的过程，具体为：利用式T＝J-1F/M求模式空间转换矩阵T，其中：K为UCA可激励的最大模式数，且满足2K<M，表示向下取整；F＝[w-K,…,wK]H，wk＝[1,exp(-j2πk/M),…,exp(-j2πk(M-1)/M)]T，k＝-K,…,K，Jk(·)表示阶数为k的第一类Bessel函数；并得到的虚拟阵列流形和模式空间数据相关矩阵，虚拟阵列流形为：得到(2K+1)×(2K+1)阶矩阵Av(θ)具有与ULA阵列流形相同的Vandermonde结构；模式空间数据相关矩阵RY为：式中，实现了从原阵元空间中的UCA到模式空间中的ULA的转换；其中，对于半径为R的均匀圆阵UCA，M表示均匀分布在圆周上各向同性的阵元的个数，N表示入射到阵列上的远场窄带信号的个数；用一个球坐标系描述信号的到达角，以圆心为参考点，方位角θ表示入射信号在x-y平面的投影与x轴沿逆时针方向的夹角，俯仰角表示入射信号与x-y平面之间的夹角，因此有θ∈[0,2π]，第m个阵元与x轴的夹角θm＝2πm/M，m＝0,1,…,M-1，阵元坐标表示为pm＝(Rcosθm,-Rsinθm,0)，信号的方向向量第m个阵元接收信号si(t)，i＝1,2,…,N，相对于参考点的时延和相移分别为：由此得信号的导向矢量：令俯仰角的一维方向估计，假设各阵元接收噪声为与信号独立的加性高斯白噪声，则t时刻第m个阵元上的接收数据为：其中，β＝2πR/λ，nm(t)表示0均值，方差为的白噪声；则阵列接收信号表示成：X(t)＝A(θ)S(t)+N(t)＝[x0(t),x1(t),…,xM-1(t)]ΤN(t)＝[n0(t),n1(t)…,nM-1(t)]Τ为噪声矢量，S(t)＝[s1(t),s2(t),…,sN(t)]T为信号矢量，X(t)为M×1阶接收...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹男，付进，田蕴琦，梁国龙，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23