一种冲击噪声环境下基于均匀圆阵的相干信号参数估计方法技术

本发明专利技术属于阵列信号处理参数估计领域，具体涉及一种冲击噪声环境下基于均匀圆阵的相干信号参数估计方法，包括以下步骤：对空间中D个信源信号进行快拍采样；对快拍采样数据做去冲击预处理；对阵列输出数据进行模式激励变换；构造稀疏重构字典集；稀疏重构得到相干信源方位角；判断是否达到最大迭代次数，若是，执行步骤七；否则令t＝t+1，返回步骤五；得到稀疏重构结果，利用索引集U得到信源方位角信息，输出相干信源波达方向估计结果。本发明专利技术解决了冲击噪声环境下基于均匀圆阵的相干信号参数估计问题，使用模式激励变换和压缩感知稀疏重构思想作为参数估计的基础，所设计的方法具有计算复杂度低、计算时间短和鲁棒性高的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种冲击噪声环境下基于均匀圆阵的相干信号参数估计方法
本专利技术属于阵列信号处理参数估计领域，具体涉及一种冲击噪声环境下基于均匀圆阵的相干信号参数估计方法。
技术介绍
空间谱估计是短波测向、无线电侦察、雷达目标定位跟踪、智能天线等领域的关键技术，精确的波达方向(DOA)估计对于提高通信系统性能有着重要意义。由于结构简单、分析方便，早期的空间谱估计算法和应用都是基于线阵提出的，但是线阵只能提供偏离阵列轴线的方位角估计。与线阵相比，圆阵能够提供360°全方位、无模糊的方位角估计，在各个方位上具有近似相同的分辨率，可以同时提供方位角和俯仰角二维角度估计，更具有实用价值。均匀圆阵阵列结构的特殊性使得其阵列流型不具有线阵的范德蒙结构，因此许多适用于线阵的优良估计方案无法直接应用于圆阵。基于相位模式激励的波束空间变换是针对均匀圆阵提出的一种有效方案，通过波束空间变换可以将均匀圆阵的阵列流型变换为类似范德蒙矩阵的形式。智能天线利用移动用户之间的空间差异来实现通信容量倍增，在实际移动环境中，同一移动用户信号经过各种反射体形成的多径信号，通常被认为是相干的。常用的高分辨信号估计方法，在独立源情况下具有较好的分辨性能，但在相干信源环境下估计性能明显变差，甚至完全失效无法估计。由于相干信号的存在，传统的多重信号分类(MUSIC)算法和旋转不变子空间(ESPRIT)算法都无法正确估计信号的波达方向。对于均匀线阵，虽然有空间平滑类算法可以处理相干信号源，但是这些解相干算法却不能直接应用于均匀圆阵中。把均匀圆阵转换为虚拟均匀线阵，由此得到的虚拟均匀线阵与普通线阵一样，具有平移不变性，从而可以运用空间平滑去相干，但是在空间平滑的同时增加了计算量。传统的高分辨测向估计方案均考虑的是高斯白噪声信号模型，而实际情况下，背景环境并非理想的高斯白噪声，存在以对称α稳定分布过程(SαS)表示的冲击噪声情况。由于冲击噪声不存在二阶及二阶以上高阶矩，冲击噪声下的波达方向估计问题无法直接移植高斯噪声下的目标参数估计方案，否则会造成算法性能的急剧下降甚至失效。现有的基于共变和分数低阶矩的MUSIC方法，虽然能够解决冲击噪声条件下的DOA估计问题，但是多维搜索带来了较高的计算量，且在少快拍数的情况下性能下降显著。在冲击噪声下基于均匀圆阵的相干信号源DOA估计问题，首先应该建立冲击噪声环境下的均匀圆阵数据接收模型，设计去冲击预处理方案，利用新的参数估计方法解决在少快拍数、低信噪比等实际条件下的快速、准确DOA估计问题。经过对现有技术文献的检索发现，高书彦等在《电子与信息学报》(2007,Vol.29,No.12,pp.2832-2835)上发表的“基于均匀圆阵的模式空间矩阵重构算法”中利用了模式空间矩阵重构算法，重构Toeplitz矩阵，成功地估计出相干源的来波方向，但是在冲击噪声背景下，方法性能恶化严重导致失效。韩晓东等在《应用科技》(2012,Vol.39,No.1,pp.35-39)上发表的“冲击噪声背景下均匀圆阵相干信源的DOA估计”中基于模式空间变换算法以及空间平滑算法的思想，结合ROC-MUSIC算法和FLOM-MUSIC算法，实现冲击噪声背景下均匀圆阵相干信源的DOA估计，但是所需计算时间较长，在低信噪比少快拍采样条件下性能恶化，不能解决冲击噪声环境下相干信源的DOA估计速度和精度问题。压缩感知作为一种新的信号采集与处理理论，能够充分利用信号的稀疏性，广泛应用于信号处理等众多领域。压缩感知理论从少量观测数据中提取感兴趣的目标信息，设计观测矩阵降低所需的数据维度，并能够从更少的观测数据中准确恢复原始信号的参数信息。因此本专利在冲击噪声条件下解决相干信号源DOA估计问题时，设计去冲击预处理方案，对均匀圆阵的输出信号进行模式激励，使其成为模式空间内的虚拟阵列，在此基础上基于信号所具有的稀疏性，利用少量的测量值，通过正交匹配稀疏重构估计出所需的参数，有效地解决了恶劣噪声环境下的目标参数估计问题。仿真结果表明这种冲击噪声环境下的基于均匀圆阵的相干信号参数估计方法能够保证估计的准确性，可提供360°方位角信息，分辨力强，减少了由于空间平滑带来的计算量，尤其在少快拍采样数、低信噪比条件下优势显著。综上所述，现有技术存在在相干信源环境下估计性能明显变差，甚至完全失效无法估计；只能提供偏离阵列轴线的方位角估计，计算量太大等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种有效性和鲁棒性更高的冲击噪声环境下基于均匀圆阵的相干信源DOA估计方法。一种冲击噪声环境下基于均匀圆阵的相干信号参数估计方法，包括以下步骤：(1)对空间中D个信源信号进行快拍采样；(2)对快拍采样数据做去冲击预处理；(3)对阵列输出数据进行模式激励变换；(4)构造稀疏重构字典集；(5)稀疏重构得到相干信源方位角；(6)判断是否达到最大迭代次数，若是，执行步骤七；否则令t＝t+1，返回步骤五；(7)得到稀疏重构结果，利用索引集U得到信源方位角信息，输出相干信源波达方向估计结果。所述对空间D个信源信号进行快拍采样，包括：天线阵是在xy平面上的半径为r的圆阵，圆周上均匀分布着各向同性的M个阵元，圆阵天线的圆心为参考点，D个远场窄带信号以方位角{θ1,θ2,…,θD}入射到均匀圆阵上，其中方位角θd∈[0,360°](d＝1,2,…,D)指原点到信源的连线在xy平面上的投影与x轴在逆时针上的夹角，且信源与阵列共面；阵列接收第k次快拍采样数据为：X(k)＝A(θ)S(k)+N(k)其中，X(k)＝[x1(k),x2(k),…,xM(k)]T为阵列的接收数据矢量；A(θ)＝[a(θ1)a(θ2)…a(θD)]是信号导向矢量矩阵，θ＝(θ1,θ2,…,θD)是角度矢量，θd是第d个信源的来波方向，d＝1,2,…,D；S(k)＝[s1(k),s2(k),…,sD(k)]T为接收天线参考点的接收信号矢量；N(k)＝[n1(k),n2(k),…,nM(k)]T为独立同分布的满足SαS分布的冲击噪声矢量，由特征指数α决定噪声的冲击程度；第d个导向矢量：a(θd)＝[exp(jk0rcos(θd-γ0)),exp(jk0rcos(θd-γ1)),…,exp(jk0rcos(θd-γM-1))]T其中，d＝1,2,…,D；k0表示波数，k0＝2π/λ；λ为入射信号的波长；γm＝2πm/M，m＝0,1,2,…,M-1，表示阵列的第m个阵元与x轴的夹角。所述对快拍采样数据做去冲击预处理，包括：以单次快拍采样数据为单位，构造第k次快拍采样数据的幅值上限max{|x1(k)|,|x2(k)|,…,|xM(k)|}，以为标准对接收数据进行归一化处理，其中q的值根据冲击噪声SαS分布的特征指数α决定。所述对阵列输出数据进行模式激励变换，包括：其中，T＝J-1CvF/M，F＝[w-l,w-l+1,…,wl]H，l＝-h,…,0,…,h，wl＝[1,exp(j2πl/M),…,exp(j2πl(M-1)/M)]H，J＝diag{J-h(β),…,J-1(β),J0(β),J1(β),…,Jh(β)}，Cv＝diag{j-h,…,j-1,j0,j1,…,jh}，h≈2πr/λ为模式激励的最大模式数，Jl(β)，l＝-h,…,0,…,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冲击噪声环境下基于均匀圆阵的相干信号参数估计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对空间中D个信源信号进行快拍采样；(2)对快拍采样数据做去冲击预处理；(3)对阵列输出数据进行模式激励变换；(4)构造稀疏重构字典集；(5)稀疏重构得到相干信源方位角；(6)判断是否达到最大迭代次数，若是，执行步骤七；否则令t＝t+1，返回步骤五；(7)得到稀疏重构结果，利用索引集U得到信源方位角信息，输出相干信源波达方向估计结果。

【技术特征摘要】
1.一种冲击噪声环境下基于均匀圆阵的相干信号参数估计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对空间中D个信源信号进行快拍采样；(2)对快拍采样数据做去冲击预处理；(3)对阵列输出数据进行模式激励变换；(4)构造稀疏重构字典集；(5)稀疏重构得到相干信源方位角；(6)判断是否达到最大迭代次数，若是，执行步骤七；否则令t＝t+1，返回步骤五；(7)得到稀疏重构结果，利用索引集U得到信源方位角信息，输出相干信源波达方向估计结果。2.根据权利要求1所述的一种冲击噪声环境下基于均匀圆阵的相干信号参数估计方法，其特征在于，所述对空间D个信源信号进行快拍采样，包括：天线阵是在xy平面上的半径为r的圆阵，圆周上均匀分布着各向同性的M个阵元，圆阵天线的圆心为参考点，D个远场窄带信号以方位角{θ1,θ2,…,θD}入射到均匀圆阵上，其中方位角θd∈[0,360°](d＝1,2,…,D)指原点到信源的连线在xy平面上的投影与x轴在逆时针上的夹角，且信源与阵列共面；阵列接收第k次快拍采样数据为：X(k)＝A(θ)S(k)+N(k)其中，X(k)＝[x1(k),x2(k),…,xM(k)]T为阵列的接收数据矢量；A(θ)＝[a(θ1)a(θ2)…a(θD)]是信号导向矢量矩阵，θ＝(θ1,θ2,…,θD)是角度矢量，θd是第d个信源的来波方向，d＝1,2,…,D；S(k)＝[s1(k),s2(k),…,sD(k)]T为接收天线参考点的接收信号矢量；N(k)＝[n1(k),n2(k),…,nM(k)]T为独立同分布的满足SαS分布的冲击噪声矢量，由特征指数α决定噪声的冲击程度；第d个导向矢量：a(θd)＝[exp(jk0rcos(θd-γ0)),exp(jk0rcos(θd-γ1)),…,exp(jk0rcos(θd-γM-1))]T其中，d＝1,2,…,D；k0表示波数，k0＝2π/λ；λ为入射信号的波长；γm＝2πm/M，m＝0,1,2,…,M-1，表示阵列的第m个阵元与x轴的夹角。3.根据权利要求1所述的一种冲击噪声环境下基于均匀圆阵的相干信号参数估计方法，其特征在于，所述对快拍采样数据做去冲击预处理，包括：以单次快拍采样数据为单位，构造第k次快拍采样数据的幅值...

【专利技术属性】
技术研发人员：刁鸣，王宇，高洪元，陈梦晗，刘子奇，苏雨萌，侯阳阳，池鹏飞，
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