一种适用于任意线阵的单快拍离格信号波达方向估计方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于任意线阵的单快拍离格信号波达方向估计方法，属于阵列信号处理技术领域。本发明专利技术对于单一离格信号波达方向估计，首先根据单快拍阵元数据获得位于候选网格上的信号波达方向初始估计值，并据此得到相应的阵列导向矢量；计算阵列导向矢量张成的子空间的正交子空间；对正交子空间做特征分解，得到对应于非零特征值的特征向量；将偏离网格的角度值作为估计参数对信号波达方向初始估计值进行校正，得到最终的波达方向。利用单一离格信号波达方向估计方法，得到多离格信号中第K个信号的波达方向估计值和估计幅度。本发明专利技术能够采用任意线阵，可以获得单一离格信号和多离格信号波达方向的精确估计。

A DOA estimation method for single snapshot off-grid signals suitable for arbitrary linear arrays

The invention discloses a direction of arrival estimation method for single snapshot off-grid signal suitable for arbitrary linear array, belonging to the field of array signal processing technology. For the DOA estimation of a single off-grid signal, the initial DOA estimation value of the signal located on the candidate grid is obtained according to the metadata of the single snapshot array, and the corresponding array steering vector is obtained accordingly; the orthogonal subspace of the subspace formed by the array steering vector is calculated; the eigenvector corresponding to the non-zero eigenvalue is obtained by eigenvector decomposition of the orthogonal subspace; The angle deviating from the grid is used as the estimation parameter to correct the initial estimation of the direction of arrival of the signal, and the final direction of arrival is obtained. The direction-of-arrival (DOA) estimation of the K-th signal in the multi-off-grid signal is obtained by using the DOA estimation method of a single off-grid signal. The invention can adopt any linear array, and can obtain accurate estimation of direction of arrival of single off-grid signal and multi-off-grid signal.

【技术实现步骤摘要】
一种适用于任意线阵的单快拍离格信号波达方向估计方法
本专利技术属于阵列信号处理
，具体涉及一种适用于任意线阵的单快拍离格信号波达方向估计方法。
技术介绍
波达方向估计一直是阵列信号处理的热点内容，在通信、雷达和声纳等领域都有广泛的应用。传统的多重信号分类法和信号参数估计的旋转不变子空间技术已经具有较高的估计性能，但是这些算法都是基于特征值分解运算的基础上进行的，而且往往为了获得良好的估计性能需要大量的快拍数，无法有效地应用于单快拍情况，这在实际的工程应用中不太实际。在实际信号环境中，高速运动目标对系统的实时性要求高，接收到的有效数据仅有几次快拍数据，基于大量快拍数据的波达方向估计算法在现有硬件系统情况下无法满足实际需要，为此利用单快拍数据进行波达方向估计成为一种解决方案。在阵列接收数据有限、目标高速运动的前提下，可以实现对目标的实时处理，并具有较高的波达方向估计精度，可为高速运动目标的定位和跟踪提供技术支持。随着压缩感知技术的兴起，稀疏表示理论逐渐应用到波达方向估计中。在应用稀疏表示理论进行波达方向估计之前，需要在角度域进行等间隔划分以构建精细的过完备字典，因此，这些基于稀疏表示的波达方向估计算法只能估计位于过完备字典原子网格上的信号。当信号的波达方向不位于网格上时(定义为离格信号)，这类算法的估计精度将急剧下降。因此离格信号的稀疏重建受到广泛关注。在阵列处理过程中线阵有着广泛的用途。均匀线阵结构简单，便于分析研究。在阵元数相等的情况下,相比均匀线阵,非均匀线阵可以尽可能扩展阵列的孔径，获得更高的自由度。因此，在实际应用中,这就需要找到尽可能适应任意线阵的波达方向估计方法。
技术实现思路
鉴于实际中单快拍数据的限制和离格信号波达方向估计的实际需求，本专利技术采用任意线阵，提出一种适用于任意线阵的单快拍离格信号波达方向估计方法，为实际有限条件下的信号波达方向估计提供关键技术。所述的任意线阵包括均匀线阵和非均匀线阵。本专利技术提供的一种适用于任意线阵的单快拍离格信号波达方向估计方法，包括对于单一离格信号波达方向估计和对于多离格信号波达方向估计。对于所述的单一离格信号波达方向估计，包括如下步骤：步骤一：接收单快拍阵元数据，根据单快拍阵元数据利用波束形成方法获得位于候选网格上的信号波达方向初始估计值；步骤二：根据信号波达方向初始估计值，得到相应的阵列导向矢量；步骤三：计算所述的阵列导向矢量张成的子空间的正交子空间；步骤四：对正交子空间做特征分解，得到对应于非零特征值的特征向量；步骤五：将与信号波达方向初始估计值相应的阵列导向矢量和特征向量结合构成新的矩阵Fa，利用矩阵Fa中阵列导向矢量和特征向量的正交性，将偏离网格的角度值作为估计参数对信号波达方向初始估计值进行校正，得到最终的波达方向。对于所述的多离格信号波达方向估计，包括如下步骤：第一步：假设有K个信号，K大于2。根据单快拍阵元数据利用波束形成方法获得位于候选网格上的各个信号波达方向初始估计值；第二步：根据各个信号波达方向初始估计值和单快拍阵元数据，采用波束形成方法估计信号幅度，得到各个信号估计幅度；第三步：将前K-1个信号的波达方向初始估计值对应的阵列导向矢量和各个信号估计幅度相乘得到前K-1个信号的阵元数据；第四步：从接收的单快拍阵元数据中减掉前K-1个信号的阵元数据，得到第K个信号的阵元数据，利用单一离格信号波达方向估计方法，得到第K个信号的波达方向估计值。第五步：根据第K个信号的波达方向估计值和第K个信号的阵元数据，采用波束形成方法估计第K个信号的幅度，得到第K个信号的估计幅度；以此类推，得到K个信号的波达方向估计值和估计幅度，再呈“z”字形三次往返循环校正所有信号的角度和幅度。本专利技术的优点在于：1、本专利技术适用于任意线阵的单快拍离格信号波达方向估计方法，能够采用任意线阵，在单快拍数据的条件下，对离格信号进行精确估计，为实际有限条件下的信号波达方向估计提供关键技术。2、本专利技术适用于任意线阵的单快拍离格信号波达方向估计方法，不但可以获得单一离格信号波达方向的精确估计还可以对多离格信号波达方向进行精确估计。附图说明图1A为本专利技术适用于任意线阵的单快拍单一离格信号波达方向估计方法流程图。图1B为本专利技术适用于任意线阵的单快拍多离格信号波达方向估计方法流程图。图2为8天线均匀线阵示意图。图3为8天线均匀线阵下单一离格信号均方误差随信噪比变化曲线图。图4为32天线均匀线阵示意图。图5为32天线均匀线阵下三个离格信号均方误差随信噪比变化曲线图。图6为8天线非均匀线阵示意图。图7为8天线非均匀线阵下单一离格信号均方误差随信噪比变化曲线图。图8为32天线非均匀线阵示意图。图9为32天线非均匀线阵下三个离格信号均方误差随信噪比变化曲线图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术提供的一种适用于任意线阵的单快拍离格信号波达方向估计方法，如图1A所示，对于单一离格信号波达方向估计，具体步骤如下：步骤一:接收单快拍阵元数据，根据单快拍阵元数据利用波束形成方法获得位于候选网格上的信号波达方向初始估计值。设单快拍阵元数据为y＝a(θ)s1+n，θ为信号入射角度，阵列导向矢量a(θ)为其中，c1,c2,...,cN代表N根天线阵元位置，s1为实值确定性信号，n为高斯白噪声。对单快拍阵元数据采用波束形成方法得到x＝Fy，F为M×N维矩阵，矩阵F中阵元(p,q)为p＝1,...,M,q＝1,...,N。对单快拍阵元数据采用波束形成方法第p个阵元数据为：x中出现峰值的位置记作pini，根据峰值位置获得信号波达方向初始估计值：步骤二：根据信号波达方向初始估计值，得到相应的阵列导向矢量：步骤三：计算此阵列导向矢量张成的子空间的正交子空间：I为N×N维的单位矩阵。步骤四：对正交子空间做特征分解，得到对应于N-1个非零特征值的特征向量a2,…,aN。步骤五：将与信号波达方向初始估计值相应的阵列导向矢量和特征向量结合构成新的矩阵Fa＝[a1,a2,…aN]，利用矩阵Fa中阵列导向矢量和特征向量的正交性，将偏离网格的角度值η作为估计参数对信号波达方向初始估计值进行校正。定义向量z＝[1,0,...,0]T。校正过程为：Φ(η)y＝Faz(4)其中，校正矩阵为假设实值确定性信号的幅值为1，即s1＝1。在无噪声的情况下，将公式(4)写成矩阵形式：将偏离网格的角度值η作为估计参数对信号波达方向初始估计值θini进行校正,得到信号波达方向估计值：对于多离格信号波达方向估计，具体步骤如下：第一步：假设有K个信号，根据单快拍阵元数据利用波束形成方法获得位于候选网格上的各个信号波达方向初始估计值。单快拍阵元数据为y＝As+n，阵列流形矩阵A为：A＝[a(θ1),...a(θK)]，其中，θ＝[θ1,...,θK]为K个信号的入射角度，第k个信号的阵列导向矢量a(θk)为c1,c2,...,cN代表N根天线阵元位置，K×1维实值确定性信号s＝[s1,s2,...sK]，n为高斯白噪声。对单快拍阵元数据采用波束形成方法得到x＝Fy，F为M×N维矩阵，矩阵F中阵元(p,q)为p＝1,...,M,q＝1,...,N。对单快拍阵元数据采用波束形成方法第p个阵元的数据为：其中，sk为第k个信号的幅值。x中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于任意线阵的单快拍离格信号波达方向估计方法，其特征在于：包括对于单一离格信号波达方向估计和对于多离格信号波达方向估计；对于所述的单一离格信号波达方向估计，包括如下步骤：步骤一：接收单快拍阵元数据，根据单快拍阵元数据利用波束形成方法获得位于候选网格上的信号波达方向初始估计值；步骤二：根据信号波达方向初始估计值，得到相应的阵列导向矢量；步骤三：计算所述的阵列导向矢量张成的子空间的正交子空间；步骤四：对正交子空间做特征分解，得到对应于非零特征值的特征向量；步骤五：将与信号波达方向初始估计值相应的阵列导向矢量和特征向量结合构成新的矩阵Fa，利用矩阵Fa中阵列导向矢量和特征向量的正交性，将偏离网格的角度值作为估计参数对信号波达方向初始估计值进行校正，得到最终的波达方向；对于所述的多离格信号波达方向估计，包括如下步骤：第一步：假设有K个信号，K大于2；根据单快拍阵元数据利用波束形成方法获得位于候选网格上的各个信号波达方向初始估计值；第二步：根据各个信号波达方向初始估计值和单快拍阵元数据，采用波束形成方法估计信号幅度，得到各个信号估计幅度；第三步：将前K‑1个信号的波达方向初始估计值对应的阵列导向矢量和各个信号估计幅度相乘得到前K‑1个信号的阵元数据；第四步：从接收的单快拍阵元数据中减掉前K‑1个信号的阵元数据，得到第K个信号的阵元数据，利用单一离格信号波达方向估计方法，得到第K个信号的波达方向估计值；第五步：根据第K个信号的波达方向估计值和第K个信号的阵元数据，采用波束形成方法估计第K个信号的幅度，得到第K个信号的估计幅度；由此，得到K个信号的波达方向估计值和估计幅度，再呈“z”字形三次往返循环校正所有信号的角度和幅度。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于任意线阵的单快拍离格信号波达方向估计方法，其特征在于：包括对于单一离格信号波达方向估计和对于多离格信号波达方向估计；对于所述的单一离格信号波达方向估计，包括如下步骤：步骤一：接收单快拍阵元数据，根据单快拍阵元数据利用波束形成方法获得位于候选网格上的信号波达方向初始估计值；步骤二：根据信号波达方向初始估计值，得到相应的阵列导向矢量；步骤三：计算所述的阵列导向矢量张成的子空间的正交子空间；步骤四：对正交子空间做特征分解，得到对应于非零特征值的特征向量；步骤五：将与信号波达方向初始估计值相应的阵列导向矢量和特征向量结合构成新的矩阵Fa，利用矩阵Fa中阵列导向矢量和特征向量的正交性，将偏离网格的角度值作为估计参数对信号波达方向初始估计值进行校正，得到最终的波达方向；对于所述的多离格信号波达方向估计，包括如下步骤：第一步：假设有K个信号，K大于2；根据单快拍阵元数据利用波束形成方法获得位于候选网格上的各个信号波达方向初始估计值；第二步：根据各个信号波达方向初始估计值和单快拍阵元数据，采用波束形成方...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹先彬，王向荣，马雅楠，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11