基于四阶累量的非圆信号均匀阵列波达方向角估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于四阶累量的非圆信号均匀阵列波达方向角估计方法，主要解决波达角估计中阵元一定，未充分挖掘虚拟阵元使估计目标信号数较少的问题。实现步骤：构建一个非圆信号均匀线性阵列；获取非圆信号均匀线性阵列的输出信号并计算其两组四阶累量；以两组四阶累量构造两组四阶累量矩阵；构造最终四阶累量矩阵并计算其噪声子空间并构造非圆信号均匀线性阵列导向矢量计算空间谱；根据空间谱绘制幅度谱图，得到波达方向角。本发明专利技术采用了四阶累量估计目标信号的波达方向角，并计算了非圆信号均匀线性阵列的两组四阶累量。阵元数一定时大大提高了阵列可测非圆信号数，适用于目标侦察和无源定位。

Direction of Arrival Estimation for Uniform Array of Non-circular Signals Based on Fourth-order Cumulants

【技术实现步骤摘要】
基于四阶累量的非圆信号均匀阵列波达方向角估计方法
本专利技术属于信号处理
，特别涉及电磁信号的阵列信号波达方向角估计，具体是一种基于四阶累量的非圆信号均匀线性阵列波达角估计方法，可用于对飞机、舰船运动目标的侦察与无源定位。
技术介绍
信号的波达方向角DOA估计是阵列信号处理领域的一个重要分支，它是指利用天线阵列对空间声学信号、电磁信号进行感应接收，再运用现代信号处理方法快速准确的估计出信号源的方向，在雷达、声纳、无线通信等领域具有重要应用价值。随着科技的不断进步，对阵列在进行信号波达方向估计时达到的自由度也有越来越高的要求。针对该问题的研究，出现较早、应用较为广泛的是多重信号分类MUSIC子空间的模型，对于一个Q阵元的典型线性均匀阵列，传统的MUSIC类计算方法可检测的信源数目是Q-1个。之后的大部分算法都是利用该模型生成的，例如信号参数估计旋转不变技术ESPRIT。这些算法由于采用典型的线性均匀阵列，造成估计的信号数目低于阵元数目，当目标个数很多时甚至无法识别，导致目标捕获失败。目前实际使用的信号多为非圆信号，利用非圆信号的性质可在有限阵元条件下，提高角度自由度，检测更多的信源。FeifeiGao等人在其发表的论文“ImprovedMUSICUndertheCoexistenceofBothCircularandNoncircularSources”(《IEEETRANSACTIONSONSIGNALPROCESSING,VOL.56,NO.7,JULY2008)中公开了一种基于二阶累量非圆信号均匀阵列的DOA估计方法，该方法能够使用M个阵元，利用M个阵元输出信号之间的二阶累积量，可得到多个虚拟阵元，具有能够估计出多于阵元数目的目标信号数的能力，但是，该方法仍然存在的不足之处是，在阵元数量一定的情况下，得到的虚拟阵元的数目还不够充分，即得到的最大虚拟阵元数还达不到理想情况，也就是说直接导致所能测得的目标信号数目少于理想情况下能测得的信号数目。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种能够估计更多非圆目标信号的基于四阶累量的非圆信号均匀线性阵列波达方向角估计方法。本专利技术是一种基于四阶累量的非圆信号均匀线性阵列波达方向角估计方法，其特征在于，包括有如下步骤：(1)构造非圆信号均匀线性阵列：将每个天线接收机称为一个阵元，用M个天线接收机形成非圆信号均匀线性阵列Q，非圆信号均匀线性阵列Q的阵元间距为d，定义均匀线性阵列Q的第一个阵元为起始阵元，阵列原点为0，起始阵元位置为d，非圆信号均匀线性阵列Q的各阵元位置为d,2d,3d,…,md,…,Md；其中，M≥1,0＜d≤λ/2，λ为入射到阵列的窄带信号波长；(2)得到目标的非圆信号均匀线性阵列输出信号Y(t)：假设空间中有K个非圆目标信号，Y(t)＝[y1(t),y2(t),…,yi(t),…,yM(t)]，其中yi(t)表示非圆信号均匀线性阵列的第i个阵元的输出信号，i为非圆信号均匀线性阵列中的阵元序号，i的取值范围是1≤i≤M；通过天线接收机的采样和滤波得到非圆信号均匀线性阵列输出信号Y(t)；(3)分别计算非圆信号均匀线性阵列输出信号Y(t)的两组四阶累量：对非圆信号均匀线性阵列输出信号Y(t)求解第一组四阶累量c1(k1,k2,k3,k4)，对非圆信号均匀线性阵列输出信号Y(t)求解第二组四阶累量c2(k1,k2,k3,k4)；(4)分别构造两组四阶累量矩阵G1、G2：根据非圆信号均匀线性阵列输出信号Y(t)的两组四阶累量，分别构造出第一组四阶累量对应的第一组四阶累量矩阵G1，第二组四阶累量对应的第二组四阶累量矩阵G2；(5)利用两组四阶累量矩阵G1、G2，生成天线接收机的最终四阶累量矩阵G：其中G2H为G2的共轭转置矩阵，G1T为G1的转置矩阵；(6)计算最终四阶累量矩阵G的噪声子空间Un；对最终四阶累量矩阵G进行特征分解后，依据特征向量构造噪声子空间Un；(7)构造非圆信号均匀线性阵列导向矢量α(θ)；用两个(4D+1)×1维的0向量参与构造非圆信号均匀线性阵列导向矢量α(θ)；(8)根据非圆信号均匀线性阵列导向矢量α(θ)和最终四阶累量矩阵G的噪声子空间Un，计算目标信号空间谱P(θ)；(9)得到目标的波达方向角度值：以波达方向角范围θ的值为x轴坐标，以空间谱P(θ)的幅度值为y轴坐标，绘制幅度谱图，从该幅度谱图中按照从高到低的顺序寻找幅值前K个谱峰，K表示均匀线性阵列的空间目标信号个数，K≥1，这些谱峰的峰值点所对应的x轴坐标即为目标的波达方向角度值。本专利技术在研究中知晓现有技术在阵元数量一定的情况下，得到的虚拟阵元的数目还不够充分的现象和现状，在此基础上经过分析研究进一步挖掘，给出了在阵元数量一定的情况下，拓展了虚拟阵元的数量空间，提升了虚拟阵元的数目，可以估计更多的目标信号个数，大幅度的提升了波达角估计精度的基于四阶累量的非圆信号均匀线性阵列波达方向角估计方法。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：提供了一种能够提高波达角估计精度的技术方案：本专利技术采用了四阶累积阵列模型进行波达方向角度估计，克服了现有技术中采用典型的线性均匀阵列造成估计的信号数目低于阵元数目的缺点，提高了在阵元数目相同的条件下的阵列可识别信源数目。得到的虚拟阵元数目更多，捕获的目标数目更多：本专利技术相对于现有技术采用二阶累量进行非圆信号的波达方向角估计，导致虚拟阵元数目达不到理想情况下所能达到的最大虚拟阵元数目，致使所能测得的目标信号数目较少的问题，将四阶累量应用到非圆信号均匀线性阵列的DOA估计中，并且计算了非圆信号均匀线性阵列的两组四阶累量。通过计算非圆信号均匀线性阵列的两组四阶累量，可使用M个阵元获得2(4M-3)个连续虚拟阵元，大大提高了阵列利用率，同时获得了更多的虚拟阵元，进一步增加了阵列可识别的信源数目。附图说明图1是本专利技术的实现流程图。具体实施方式以下参照附图，对本专利技术的技术方案和效果作详细说明。实施例1在信号处理
，特别涉及一种电磁信号的阵列信号波达方向角估计是非常重要的，涉及到对飞机、舰船运动目标的侦察与无源定位有很重要的作用。在实际中对目标信号进行波达角估计，现有技术在阵元数一定的情况下采用二阶累量进行非圆信号的波达方向角估计，导致虚拟阵元数目达不到理想情况下所能达到的最大虚拟阵元数目，致使所能测得的目标信号数目较少，本专利技术经过研究与创新，提出了一种基于四阶累量的非圆信号均匀线性阵列波达方向角估计方法。本专利技术是一种基于四阶累量的非圆信号均匀线性阵列波达方向角估计方法，参见图1，包括如下：(1)构造非圆信号均匀线性阵列：将每个天线接收机称为一个阵元，用M个天线接收机形成非圆信号均匀线性阵列Q，非圆信号均匀线性阵列Q的阵元间距为d，定义均匀线性阵列Q的第一个阵元为起始阵元，阵列原点为0，起始阵元位置为d，非圆信号均匀线性阵列Q的各阵元位置为d,2d,3d,…,md,…,Md。其中，M≥1,0＜d≤λ/2，λ为入射到阵列的窄带信号波长。(2)得到目标的非圆信号均匀线性阵列输出信号Y(t)：假设空间中有K个非圆目标信号，Y(t)＝[y1(t),y2(t),…,yi(t),…,yM(t)]，其中yi(t)表示非圆信号均匀线性阵列本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于四阶累量的非圆信号均匀线性阵列波达方向角估计方法，其特征在于，包括有如下步骤：(1)构造非圆信号均匀线性阵列：将每个天线接收机称为一个阵元，用M个天线接收机形成针对目标的非圆信号均匀线性阵列Q，非圆信号均匀线性阵列Q的阵元间距为d，定义非圆信号均匀线性阵列Q的第一个阵元为起始阵元，阵列原点为0，起始阵元位置为d，非圆信号均匀线性阵列Q的各阵元位置为d,2d,3d,…,md,…,Md；其中，M≥1,0＜d≤λ/2，λ为入射到阵列的窄带信号波长；(2)得到目标的非圆信号均匀线性阵列输出信号Y(t)：假设空间中有K个非圆目标信号，Y(t)＝[y1(t),y2(t),…,yi(t),…,yM(t)]，其中yi(t)表示非圆信号均匀线性阵列的第i个阵元的输出信号，i为非圆信号均匀线性阵列中的阵元序号，i的取值范围是1≤i≤M；通过天线接收机的采样和滤波得到目标非圆信号均匀线性阵列输出信号Y(t)；(3)分别计算非圆信号均匀线性阵列输出信号Y(t)的两组四阶累量：对非圆信号均匀线性阵列输出信号Y(t)求解第一组四阶累量c1(k1,k2,k3,k4)，对非圆信号均匀线性阵列输出信号Y(t)求解第二组四阶累量c2(k1,k2,k3,k4)；(4)分别构造两组四阶累量矩阵G1、G2：根据非圆信号均匀线性阵列输出信号Y(t)的两组四阶累量，分别构造出第一组四阶累量对应的第一组四阶累积矩阵G1和第二组四阶累量对应的第二组四阶累积矩阵G2；(5)利用两组四阶累量矩阵G1、G2，生成天线接收机的最终四阶累量矩阵G：...

【技术特征摘要】
1.一种基于四阶累量的非圆信号均匀线性阵列波达方向角估计方法，其特征在于，包括有如下步骤：(1)构造非圆信号均匀线性阵列：将每个天线接收机称为一个阵元，用M个天线接收机形成针对目标的非圆信号均匀线性阵列Q，非圆信号均匀线性阵列Q的阵元间距为d，定义非圆信号均匀线性阵列Q的第一个阵元为起始阵元，阵列原点为0，起始阵元位置为d，非圆信号均匀线性阵列Q的各阵元位置为d,2d,3d,…,md,…,Md；其中，M≥1,0＜d≤λ/2，λ为入射到阵列的窄带信号波长；(2)得到目标的非圆信号均匀线性阵列输出信号Y(t)：假设空间中有K个非圆目标信号，Y(t)＝[y1(t),y2(t),…,yi(t),…,yM(t)]，其中yi(t)表示非圆信号均匀线性阵列的第i个阵元的输出信号，i为非圆信号均匀线性阵列中的阵元序号，i的取值范围是1≤i≤M；通过天线接收机的采样和滤波得到目标非圆信号均匀线性阵列输出信号Y(t)；(3)分别计算非圆信号均匀线性阵列输出信号Y(t)的两组四阶累量：对非圆信号均匀线性阵列输出信号Y(t)求解第一组四阶累量c1(k1,k2,k3,k4)，对非圆信号均匀线性阵列输出信号Y(t)求解第二组四阶累量c2(k1,k2,k3,k4)；(4)分别构造两组四阶累量矩阵G1、G2：根据非圆信号均匀线性阵列输出信号Y(t)的两组四阶累量，分别构造出第一组四阶累量对应的第一组四阶累积矩阵G1和第二组四阶累量对应的第二组四阶累积矩阵G2；(5)利用两组四阶累量矩阵G1、G2，生成天线接收机的最终四阶累量矩阵G：其中G2H为G2的共轭转置矩阵，G1T为G1的转置矩阵；(6)计算最终四阶累量矩阵G的噪声子空间Un；对最终四阶累量矩阵G进行特征分解后，依据特征向量构造噪声子空间Un；(7)构造非圆信号均匀线性阵列导向矢量α(θ)；用两个(4D+1)×1维的0向量参与构造非圆信号均匀线性阵列导向矢量α(θ)；(8)根据非圆信号均匀线性阵列导向矢量α(θ)和最终四阶累量矩阵G的噪声子空间Un，计算目标信号空间谱P(θ)；(9)得到目标的波达方向角度值：以波达方向角范围θ的值为x轴坐标，以空间谱P(θ)的幅度值为y轴坐标，绘制幅度谱图，从该幅度谱图中按照从高到低的顺序寻找幅值前K个谱峰，K表示非圆信号均匀线性阵列的空间目标信号个数，K≥1，这些谱峰的峰值点所对应的x轴坐标即为目标的波达方向角度值。2.根据权利要求1所述的基于四阶累量的非圆信号均匀线性阵列波达方向角估计方法，其特征在于，其中步骤(3)所述的计算非圆信号均匀线性阵列输出信号Y(t)的两组四阶累量，包括有如下步骤：(3a)对非圆信号均匀线性阵列输出信号Y(t)求解第一组四阶累量c1(k1,k2,k3,k4)：c1(k1,k2,k3,k4)＝cum(yk1(t),yk2*(t),yk3(t),yk4*(t))，其中，k1,k2,k3,k4为从非圆信号均匀线性阵列中随机选取的四个阵元的序号，1≤k1,k2,k3,k4≤M，yk1(t),yk2(t),yk3(t),yk4(t)是非圆信号均匀线性阵列的输出信号Y(t)在k1,k2,k3,k4这个阵元序号下的输出信号，cum表示求解四阶累量操作，(·)*表示向量的共轭运算；(3b)对非圆信号均匀线性阵列输出信号Y(t)求解第二组四阶累量c2(k1,k2,k3,k4)：c2(k1,k2,k3,k4)＝cum(yk1(t),yk2*(t),yk3*(t),yk4*(t))，其中，k1,k2,k3,k4为...

【专利技术属性】
技术研发人员：宗汝，李超，郭彦涛，蔡晶晶，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61