一种基于正交算子的Capon噪声功率估计方法技术

本发明专利技术属于信号处理技术领域，涉及一种基于正交算子的Capon噪声功率估计方法。本发明专利技术首先根据低分辨率空间谱测向结果得到信号分布方位，再求出与各方位正交的正交算子并对经典Capon功率估计器进行重构，用重构的修正Capon功率估计器在非信号区域的任意一个方位点进行功率估计，以此作为噪声功率。该发明专利技术相对特征分解法不需要进行特征分解，相对经典Capon功率估计器不需要在所有非信号区域进行计算，可以有效减小运算量，并且由于其正交特性，即使在信号方位估计存在偏差时依旧可以精准估计噪声功率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于正交算子的Capon噪声功率估计方法
本专利技术属于信号处理
，涉及一种基于正交算子的Capon噪声功率估计方法。
技术介绍
随着无线电技术的发展，移动通信、广播、电视、导航、遥控遥测、雷达等应用已经逐渐覆盖了现在国防及人们日常生活的方方面面，研究人员通过传感器阵列或者天线阵列把时域采样变成时空采样，从而将时域信号处理的许多理论成果推广到空域。在进行空间谱估计时，空间噪声功率是一个非常重要的参数，目前的空间噪声估计方法主要有两种：基于经典Capon空间谱的噪声功率估计以及基于特征值分解的噪声功率估计。在进行空间信号波达方向估计时，经典的Capon空间功率估计器由于其易于实现，得到了大规模的应用。但是，该方法在进行噪声估计时存在功率过估计的问题，尤其是在多个信号场景下，会急剧放大空间噪声，导致后续对信号功率以及波达方向的估计存在很大误差，严重影响了空间谱估计的性能。基于特征分解的噪声功率估计法虽然可以在高信噪比时更精准的估计噪声功率，但是该方法相对Capon法存在以下两点缺陷：首先因为其涉及到特征分解，所以相对经典的Capon空间谱估计法，其计算量很大；其次在低信噪比时会出现信号子空间和噪声子空间混淆的问题，导致功率估计出现误差。空间噪声功率估计的精准程度会对阵列信号处理效果产生较大影响，在空间谱估计上，若噪声功率估计不精准会导致信号功率的估计存在误差；在波束形成中，接收端噪声功率估计不准会导致最终自适应波束形成的权值设计和理想的权值存在较大偏差，导致接收端输出信噪比相对理论值大大下降，严重影响系统的整体性能。因此需要一个新的高精度、应用范围广的噪声功率估计器。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于正交算子的Capon噪声功率估计方法，实现低运算量前提下的高精度空间噪声估计。相对经典的Capon空间噪声估计，本专利技术不需要在整个空域进行噪声功率计算，只需要在一个方位点进行估计，并且不需要进行特征分解，大大降低了运算量。此外，由于进行了正交算子的修正，本专利技术可以实现阵列误差场景下的精准空间噪声估计。为了便于理解，对本专利技术采用的技术作如下说明：传统的Capon功率估计器可以进行空间噪声功率的估计，但是由于信号残留的影响，会导致噪声功率的过估计，将其过估计的原因分析如下。首先，在方位角θ处的功率估计可表示为其中，R表达理论的数据协方差矩阵，实际中通常用数据协方差矩阵代替。在高斯白噪声场景下，只存在一个信号时可以表示如下：其中a0表示位于角度θ0的信号导向矢量，和分别表示信号及噪声的功率，I为单位矩阵。用矩阵求逆引理，上式可表示为此时方位角θ处Capon功率估计器的功率估计可以表示为其中M为阵元个数，即在方位θ进行功率估计时，会因为分母中第二项始终为正导致功率的过估计。为解决上述问题，本专利技术的技术方案为：一种基于正交算子修正的Capon空间噪声功率估计方法，通过正交算子对经典Capon功率估计器进行重构，该方法用于对空间噪声的精确估计，其特征在于，包括以下步骤：S1、首先，通过低分辨率的空间谱估计方法对信号分布进行检测，确定空间中信号的个数以及角度；S2、假定有L个位于角度θl,l＝1,2,...,L的信号，得出其导向矢量组成的矩阵为A＝[a1,...,aL]；S3、取上述矩阵的正交，得出正交矩阵并取第一列为Δ；S4、将经典Capon功率估计器中的a(θ)重新构建为其中0是维度为M×M-1的全零矩阵。S5、将重构的Capon功率估计器在非信号区域的任意一个方位进行功率估计，得到的值即为空间噪声功率。本专利技术的有益效果为，基于正交算子的Capon功率估计器可以去除空间中的信号残留，实现精准的噪声功率估计，并且其结果与角度无关，仅需要对一个空间角度点进行计算即可得到精准的噪声估计，大大减少了计算量，为后续的测向以及信号功率估计提供了可靠的先验知识。附图说明图1本专利技术实现过程的流程图；图2不同快拍数下噪声功率估计对比图；图3不同信噪比下噪声功率估计对比图；具体实施方式下面将结合附图和实施例，对本专利技术的技术方案进行进一步说明。实施例1本实施例的目的是在不同快拍数场景下对不同的噪声功率估计方法进行对比，验证专利技术的方法可以实现精准的噪声功率估计。本实施例中快拍数为50到500，分别用经典Capon法、特征分解法和改进的Capon法进行噪声功率估计，每个快拍数下重复200次试验。实施例的噪声功率估计实施方法如附图1所示。已知有四个经低分辨率空间谱估计后分别位于-35、0、40和70度处的信号，其信噪比大约为20dB、10dB、20dB和20dB，噪声功率为0dB。试验中选择10阵元半波长布阵的均匀线阵，假定存在来波方向的不确定性，即低分辨率估计的方位存在误差且误差服从零均值、方差为2的正态分布。对接收到的数据取50个快拍，并做自相关以代替Capon功率估计器以及特征分解法中的理论自相关矩阵，然后对空间谱估计后的信号方位导向矢量取正交以构建正交算子修正的Capon功率估计器。需要说明的是，经典Capon法需要在除去信号区域以外的所有区域进行噪声功率估计并做平均；而特征分解法是在对数据自相关矩阵进行特征分解后，按照从大到小的顺序去除信号对应的特征之后对剩下的特征值取平均作为噪声功率的估计值；修正的Capon法只需要对信号区域以外的任意一点计算功率值即可作为精确的噪声估计。本实例在每次试验后都对三种方法的功率估计进行存储，做完200次试验后分别求和取平均作为这种快拍场景下的功率估计。后续以50为步长取数据，直到取到500快拍结束。三种方法功率估计的对比结果如图2所示，结果表明本专利技术所提方法在信号估计方位存在偏差时依旧可以精准估计噪声功率，没有同经典Capon法一样成倍放大估计的噪声功率，尤其是在快拍数大于200时同特征分解法的估计值贴合紧密且都逼近理论噪声功率0dB，说明本方法可以在低运算量前提下精确估计噪声。实施例2本实施例的目的是在不同信噪比场景下对不同的噪声功率估计方法进行对比，验证专利技术的方法可以实现精准的噪声功率估计。本实施例中快拍数为200，分别用经典Capon法、特征分解法和改进的Capon法进行噪声功率估计，每个信噪比下重复200次试验。实施例的噪声功率估计实施方法如附图1所示。生成分别位于-35、0、40和70度处的信号，第二个信号的信噪比范围为-20dB到20dB并以5dB为步长，其他信号的信噪比均为20dB，噪声功率为0dB。试验中选择10阵元半波长布阵的均匀线阵，假定存在来波方向的不确定性，即低分辨率估计的方位存在误差且误差服从零均值、方差为2的正态分布。对接收到的数据做自相关以代替Capon功率估计器以及特征分解法中的理论自相关矩阵，然后对空间谱估计后的信号方位导向矢量取正交以构建正交算子修正的Capon功率估计器。三种方法功率估计的对比结果如图3所示，可以看出在200快拍时，随着信噪比的提升，本专利技术的方法和特征分解法估计的噪声功率紧密贴合且都逼近理论噪声功率0dB，而经典Capon法的噪声功率估计始终在3dB附近，对噪声有严重的过估计，说明本方法在信号方位估计存在偏差时依旧具有良好的噪声估计性能。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于正交算子的Capon噪声功率估计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、通过低分辨率的空间谱估计方法对信号分布进行检测，确定空间中信号的个数以及角度；S2、设定有L个位于角度θl,l＝1,2,...,L的信号，获得其导向矢量组成的矩阵为A＝[a1,...,aL]；S3、取矩阵A的正交，得出正交矩阵并取第一列为Δ；S4、经典Capon功率估计器中，在方位角θ处的功率估计表示为：

【技术特征摘要】
1.一种基于正交算子的Capon噪声功率估计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、通过低分辨率的空间谱估计方法对信号分布进行检测，确定空间中信号的个数以及角度；S2、设定有L个位于角度θl,l＝1,2,...,L的信号，获得其导向矢量组成的矩阵为A＝[a1,...,aL]；S3、取矩阵A...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾晓宇，马俊虎，王爽，安建成，甘露，廖红舒，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51