一种近场窄带信号源的定位方法技术

本发明专利技术公开了一种近场窄带信号源的定位方法，包括：构建对称均匀线阵，根据对称均匀线阵的接收数据计算对称均匀线阵的协方差矩阵R；根据获得的协方差矩阵R计算噪声方差σ

【技术实现步骤摘要】
一种近场窄带信号源的定位方法
本专利技术属于阵列信号处理
，特别涉及一种近场窄带信号源的定位方法。
技术介绍
信源定位在雷达、声纳、无线通信等领域具有重要的应用。在一些实际应用，如基于麦克风阵列的话音定位问题中，输入信号为近场信号，需要分别估计出近场信号的一维波达方向和距离信息。尽管已经有很多用于解决近场信号源定位问题的方法被提出，如基于高阶统计量的估计方法、基于线性预测的估计方法、基于MUSIC的估计方法等。但目前的方法都存在一定的缺陷和不足，基于高阶统计量的估计方法需要较高的计算复杂度；基于线性预测的估计方法通过分离估计近场信号源的波达方向与距离来降低计算量，但是当采样数有限的情况下，通常会遭遇饱和现象；基于MUSIC的估计方法虽然客服了饱和现象，但是求解过程用到了二维谱峰搜索，计算复杂度明显增大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种近场窄带信号源的定位方法，以解决上述存在的技术问题。本专利技术的定位方法不需要进行特征值分解以及多维搜索步骤，可降低计算复杂度，方法简单有效。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种近场窄带信号源的定位方法，包括以下步骤：步骤1，构建对称均匀线阵：待定位的近场窄带信号为入射到对称均匀线阵上的K个非相干窄带信号{sk(n)}；对称均匀线阵包含2M+1个全向传感器阵元，M的取值范围为M≥K，阵元间距为d；待定位的近场窄带信号的方位信息为θk表示第k个入射信号的波达方向角，所述波达方向角为第k个入射信号相对于y轴的逆时针夹角，rk是第k个入射信号相对于坐标原点的距离；步骤2，根据对称均匀线阵的接收数据计算对称均匀线阵的协方差矩阵R；步骤3，根据步骤2获得的协方差矩阵R计算噪声方差σ2；步骤4，根据步骤2获得的协方差矩阵R和步骤3获得的噪声方差σ2计算无噪声相关系数步骤5，构造多项式式(1)中(·)H表示共轭转置，λ表示入射信号波长，j表示单位虚数，j2＝-1；和分别表示矩阵的前K和后L-K行，且取m＝0；通过求多项式的K个零相位点来计算近场信号的波达方向角的估计值(·)T表示转置，Im表示m×m的单位矩阵；步骤6，构造多项式式(2)中，且取通过求多项式的K个零相位点计算近场信号的距离的估计值获得待定位的近场窄带信号源的方位信息进一步的，根据对称均匀线阵接收的数据求得阵列协方差矩阵估计值计算公式为：其中，N表示采样数，x(n)表示阵列接收数据。进一步的，步骤3中，通过步骤2获得的协方差矩阵R估计噪声方差σ2的具体步骤包括：步骤3.1，将步骤2得到的协方差矩阵R划分为四个子矩阵：步骤3.2，根据划分获得的R21和R22计算获得噪声方差σ2，计算公式为：其中，tr{·}表示求矩阵的迹，表示广义逆。进一步的，步骤3中，阵列协方差矩阵估计值划分形式为：求得噪声方差估计值为：其中tr{·}表示求矩阵的迹，表示广义逆。进一步的，步骤4中，根据步骤2获得的协方差矩阵R和步骤3获得的噪声方差σ2计算无噪声相关性的表达式为：其中，p＝-M+m2,-M+m2+1,…,-1,0,1,…,M-m1-1,M-m1，λmk＝ψk-mφk，m1＝0.5(|m|+m)，m2＝0.5(|m|-m)，进一步的，步骤5中，中矩阵Zm的计算方法为：构造矩阵Zm＝[ζm1,ζm2,…,ζmL]T其中m＝0，且式中，L＝M+1-m1α，且m1α＝0.5(|m|+α(m)),m2α＝0.5(|m|-α(m)),α(m)＝0.5[1-(-1)m]。进一步的，步骤5中波达方向角估计计算的具体步骤包括：步骤5.1，根据损失函数，设置m＝0，则波达方向角可以通过一维搜索估计步骤5.2，根据步骤5.1中的公式估计得到p0(z)，其中，和分别表示矩阵的前K和后L-K行，且取m＝0；通过求多项式的K个零相位点来计算近场信号的波达方向角的估计值进一步的，步骤6中线阵的中心的距离估计的具体步骤包括：根据步骤5得到的波达方向角的估计同时根据损失函数，设置计算公式为：其中估计参数和自动配对；的表达式为：其中，且且这里取通过求多项式的K个零相位点来计算近场信号的距离的估计值与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术的定位方法，利用阵列协方差矩阵的反对角线元素，首先构造只包含近场波达方向信息的协方差矩阵，进而利用线性传播算子计算出近场信号的波达方向，其次利用求解得到波达方向进一步求解得到近场的距离信息。本专利技术不需要进行特征值分解以及多维搜索步骤，降低了计算复杂度，方法简单有效。附图说明图1为本专利技术的一种近场窄带信号源的阵列结构示意图；图2为近场信号参数估计的性能随信噪比(SNR)的变化曲线示意图：(a)波达方向角估计性能随信噪比变化的曲线示意图，(b)距离估计性能随信噪比变化的曲线示意图；其中，虚线：WLPM；点虚线：GEMM；带“x”的实线：RD—MUSIC；实线：本专利技术定位方法SALONS；“*”线：理论均方误差；图3为近场信号参数估计的性能随采样数(N)的变化曲线示意图：(a)波达方向角估计性能随采样数变化的曲线示意图，(b)距离估计性能随采样数变化的曲线示意图；其中，虚线：WLPM；点虚线：GEMM；带“x”的实线：RDMUSIC；实线：本专利技术定位方法SALONS；“*”线：理论均方误差。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。其中，对于任意变量a，表示该变量a的估计值。请参阅图1，本专利技术的一种非均匀噪声下窄带近场信号源的定位方法，具体实现步骤概括如下：步骤1，构建对称均匀线阵；待定位的近场窄带信号为入射到对称均匀线阵上的K个非相干窄带信号{sk(n)}，对称均匀线阵包含2M+1个全向传感器阵元，M的取值范围为M≥K，阵元间距为d，待定位的近场窄带信号的方位信息为θk表示第k个入射信号的波达方向角，所述波达方向角为第k个入射信号相对于y轴的逆时针夹角，rk是第k个入射信号相对于坐标原点的距离。具体的，窄带近场信号源为入射到对称均匀线阵上的K个窄带信号{sk(n)}，对称均匀线阵包含2M+1个全向传感器阵元，阵元间距为d，假设传感器被完全校准，并且阵列的中心被假定为相位参考点。在第i个传感器处接收到的噪声信号可以表示为，式中，j表示虚数单位，即j2＝-1，i＝-M,…,-1,0,1,…,M，wi(n)是附加噪声，τik是表示第k个信号sk(n)在第i个传感器上在时刻n由于时间延迟而引起的相位延迟，其可定义为式中，θk表示第k个非相干信号sk(n)的波达方向角，rk是第k个非相干信号sk(n)相对于对称均匀线阵的中心的距离，λ表示波长，d表示阵列间距即d＝λ/4。当信号sk(n)处于在菲涅耳区，即rk∈(0.62(D3/λ)1/2,2D2/λ)，其中D表示阵列孔径，且表示为D＝2Md时，可将τik(n)用二次Taylor级数展开为：τik(n)≈iψk+i2φk，其中，λ是入射信号波长，d是阵元间距。然后接收的信号可以紧凑地重写为：x(n)＝As(n)+w(n)式中，相反A是阵列响应矩阵，且定义为，其中，步骤2，根据xi(n)的计算假设得到大小为(2M+1)×(2M+1)的线阵的协方差矩阵R。步骤2中计算阵列的协方差矩阵R的具体方法为：根据得到的接受信号x(n)计算得到大小为(2M+1)×(2M+1)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种近场窄带信号源的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，构建对称均匀线阵：待定位的近场窄带信号为入射到对称均匀线阵上的K个非相干窄带信号{sk(n)}；对称均匀线阵包含2M+1个全向传感器阵元，M的取值范围为M≥K，阵元间距为d；待定位的近场窄带信号的方位信息为

【技术特征摘要】
1.一种近场窄带信号源的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，构建对称均匀线阵：待定位的近场窄带信号为入射到对称均匀线阵上的K个非相干窄带信号{sk(n)}；对称均匀线阵包含2M+1个全向传感器阵元，M的取值范围为M≥K，阵元间距为d；待定位的近场窄带信号的方位信息为θk表示第k个入射信号的波达方向角，所述波达方向角为第k个入射信号相对于y轴的逆时针夹角，rk是第k个入射信号相对于坐标原点的距离；步骤2，根据对称均匀线阵的接收数据计算对称均匀线阵的协方差矩阵R；步骤3，根据步骤2获得的协方差矩阵R计算噪声方差σ2；步骤4，根据步骤2获得的协方差矩阵R和步骤3获得的噪声方差σ2计算无噪声相关系数步骤5，构造多项式式(1)中(·)H表示共轭转置，λ表示入射信号波长，j表示单位虚数，j2＝-1；和分别表示矩阵的前K和后L-K行，且取m＝0；通过求多项式的K个零相位点来计算近场信号的波达方向角的估计值(·)T表示转置，Im表示m×m的单位矩阵；步骤6，构造多项式式(2)中，且取通过求多项式的K个零相位点计算近场信号的距离的估计值获得待定位的近场窄带信号源的方位信息2.根据权利要求1所述的一种近场窄带信号源的定位方法，其特征在于，根据对称均匀线阵接收的数据求得阵列协方差矩阵估计值计算公式为：其中，N表示采样数，x(n)表示阵列接收数据。3.根据权利要求1所述的一种近场窄带信号源的定位方法，其特征在于，步骤3中，通过步骤2获得的协方差矩阵R估计噪声方差σ2的具体步骤包括：步骤3.1，将步骤2得到的协方差矩阵R划分为四个子矩阵：步骤3.2，根据划分获得的R21和R22计算获得噪声方差σ2，计算公式为：其中，tr{·}表示求...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛景民，左炜亮，蔡卓桐，郑南宁，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61