一种基于虚拟差分阵列的DOA跟踪方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种基于虚拟差分阵列的DOA跟踪方法，所述阵列为嵌套阵列，包括第一子空间和第二子空间，所述第一子空间包括N1个阵元，阵元间距为d，所述第二子空间包括N2个子空间，阵元间距为(N1+1)d，天线阵列的观测数据为x(t)；该方法包括：根据所述观测数据x(t)计算得到等效虚拟ULA信号矢量；将所述等效虚拟ULA信号矢量划分为多个子空间，构造关于虚拟ULA信号子空间的无约束最小化问题；求解所述无约束最小化问题；计算等效虚拟ULA信号矢量的信号子空间，其中多次利用矩阵求逆定理以减小计算复杂度；根据所述等效虚拟ULA信号矢量的信号子空间计算DOA的估计值。本发明专利技术使用稀疏阵的虚拟差分阵列，相较于使用均匀线阵的DOA跟踪算法，克服了其阵列孔径和自由度受限的问题，并提高了DOA估计的精度以及DOA跟踪的性能。

A DOA Tracking Method and Device Based on Virtual Differential Array

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟差分阵列的DOA跟踪方法及装置
本专利技术属于阵列信号处理领域，具体涉及一种基于虚拟差分阵列的DOA跟踪方法及装置。
技术介绍
DOA估计是和阵列信号处理中的一个重要问题，它广泛应用于雷达、遥感和无线通信等领域。许多用于DOA估计的子空间方法如多信号分类(MUSIC)算法和基于旋转不变技术的信号参数估计(ESPRIT)算法等在静态环境下有很好的估计性能；但在动态环境下，由于移动的信号源通常会导致空间谱的扩展，而且移动目标的快拍信号难以产时间累积，无法对目标DOA前后时刻之间的关联性加以应用。因此，传统DOA估计算法并不能直接应用于DOA跟踪中。当前DOA跟踪的子空间方法主要包括两大类：一是基于特征分解的批处理方法，该类方法是把传统静态DOA估计算法直接推广到移动目标DOA跟踪中，结合当前采样数据，同时利用某些方法对阵列输出信号协方差矩阵进行实时更新，再对更新后的矩阵进行特征值分解，最后对当前时刻DOA进行估计。虽然该类算法思想简单，但计算量较大、实时性较差。二是基于最优化求解的子空间更新算法，该类算法的主要思想是将DOA跟踪中求解子空间的问题转化为一个最优化问题，利用优化求解代替特征值分解。该类算法有效减少了计算量，并且还有收敛速度快、算法性能好等优点。该类算法中最经典的算法是PAST算法。PAST算法的原理是通过采用递归最小二乘(RLS)的方法解决一个无约束的最小化问题，并采用一个近似投影的步骤来降低计算复杂度，最终实现对信号子空间的跟踪。然而传统的PAST算法只适用于均匀线阵(ULA)，而ULA的阵列孔径和自由度均受到了限制。稀疏阵列的提出很好的解决了这个问题，在相同阵元数下，稀疏阵相较于ULA有更大的阵列孔径和更高的自由度，因此能获得更高的估计精度。现有技术使用了嵌套阵列和互质阵列的虚拟差分阵列，它有着比稀疏阵列的物理阵列更大的孔径和自由度，进一步地提高了估计精度。所以，如何将传统的PAST算法用于稀疏阵列的虚拟差分阵列从而实现更高性能的DOA跟踪成为了一个需要解决的问题。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于虚拟差分阵列的DOA跟踪方法及装置，克服了现有的DOA跟踪算法在计算复杂度、自由度和估计精度之间的矛盾。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于虚拟差分阵列的DOA跟踪方法，所述阵列为嵌套阵列，包括第一子空间和第二子空间，所述第一子空间包括N1个阵元，阵元间距为d，所述第二子空间包括N2个子空间，阵元间距为(N1+1)d，天线阵列的观测数据为x(t)；该方法包括：根据所述观测数据x(t)计算得到等效虚拟ULA信号矢量；将所述等效虚拟ULA信号矢量划分为多个子空间，构造关于虚拟ULA信号子空间的无约束最小化问题；求解所述无约束最小化问题；计算等效虚拟ULA信号矢量的信号子空间；根据所述等效虚拟ULA信号矢量的信号子空间计算DOA的估计值。可选地，所述根据所述观测数据x(t)计算得到等效虚拟ULA信号矢量，具体包括：计算观测数据x(t)在时刻t的协方差矩阵R(t)；对所述协方差矩阵R(t)进行列向量化，得到虚拟差分阵列信号矢量z(t)；对所述虚拟差分阵列信号矢量z(t)去冗余、重排并取连续部分阵元后，得到等效虚拟ULA信号矢量z'(t)。可选地，对所述虚拟ULA信号子空间的无约束最小化问题的目标方程进行近似投影；对进行近似投影后的无约束最小化问题求导并令其等于0得到等效虚拟ULA的信号子空间表达式，表达式中的逆矩阵利用多次矩阵求逆定理计算得出。可选地，将等效虚拟ULA的信号子空间表达式划分为两部分，包括W1(t)和W2(t)，W2(t)＝W1(t)Φ；使用总体最小二乘ESPRIT算法求解出矩阵Φ的估计值进而得到DOA的估计值。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术还提供一种基于虚拟差分阵列的DOA跟踪装置，所述阵列为嵌套阵列，包括第一子空间和第二子空间，所述第一子空间包括N1个阵元，阵元间距为d，所述第二子空间包括N2个子空间，阵元间距为(N1+1)d，天线阵列的观测数据为x(t)；该装置包括：等效虚拟ULA信号矢量计算模块，用于根据所述观测数据x(t)计算得到等效虚拟ULA信号矢量；构造模块，用于将所述等效虚拟ULA信号矢量划分为多个子空间，构造关于虚拟ULA信号子空间的无约束最小化问题；最小化问题求解模块，用于求解所述无约束最小化问题；信号子空间计算模块，用于计算等效虚拟ULA信号矢量的信号子空间；估计模块，用于根据所述等效虚拟ULA信号矢量的信号子空间计算DOA的估计值。可选地，计算观测数据x(t)在时刻t的协方差矩阵R(t)；对所述协方差矩阵R(t)进行列向量化，得到虚拟差分阵列信号矢量z(t)；对所述虚拟差分阵列信号矢量z(t)去冗余、重排并取连续部分阵元后，得到等效虚拟ULA信号矢量z'(t)。可选地，对所述虚拟ULA信号子空间的无约束最小化问题的目标方程进行近似投影；对进行近似投影后的无约束最小化问题求导并令其等于0得到等效虚拟ULA的信号子空间表达式，表达式中的逆矩阵利用多次矩阵求逆定理计算得出。可选地，将等效虚拟ULA的信号子空间表达式划分为两部分，包括W1(t)和W2(t)，W2(t)＝W1(t)Φ；使用总体最小二乘ESPRIT算法求解出矩阵Φ的估计值进而得到DOA的估计值。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术还提供一种存储介质，存储计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行所述的跟踪方法。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术还提供一种电子终端，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述设备执行如权利要求1～6任意一项所述的跟踪方法。如上所述，本专利技术的一种基于虚拟差分阵列的DOA跟踪方法及装置，具有以下有益效果：本专利技术使用稀疏阵的虚拟差分阵列，相较于使用均匀线阵的DOA跟踪算法，克服了其阵列孔径和自由度受限的问题；同时在构造无约束最小化问题时，将等效虚拟ULA的信号矢量划分为多个子空间从而得到一个新的目标方程，并在进行矩阵求逆运算时反复利用矩阵求逆定理来减小计算复杂度，最后在计算信号子空间时采用RLS算法将前后时刻关联起来进行计算，使得在低信噪比下也能有很好的DOA跟踪性能。附图说明为了进一步阐述本专利技术所描述的内容，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。应当理解，这些附图仅作为典型示例，而不应看作是对本专利技术的范围的限定。图1为本专利技术实施方式阵列设置示意图；图2为本专利技术实施方式仿真实验静态场景下DOA估计的均方根误差随SNR变化关系示意图；图3为本专利技术实施方式仿真实验静态场景下DOA估计的均方根误差随快拍数变化关系示意图；图4为本专利技术实施方式仿真实验动态场景下DOA跟踪平缓变化时的曲线示意图；图5为本专利技术实施方式仿真实验动态场景下DOA跟踪剧烈变化时的曲线示意图；图6为本专利技术实施例中一种基于虚拟差分阵列的DOA跟踪方法的流程图；图7为本专利技术实施例中一种基于虚拟差分阵列的DOA跟踪装置的示意图。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于虚拟差分阵列的DOA跟踪方法，其特征在于，所述阵列为嵌套阵列，包括第一子空间和第二子空间，所述第一子空间包括N1个阵元，阵元间距为d，所述第二子空间包括N2个子空间，阵元间距为(N1+1)d，天线阵列的观测数据为x(t)；该方法包括：根据所述观测数据x(t)计算得到等效虚拟ULA信号矢量；将所述等效虚拟ULA信号矢量划分为多个子空间，构造关于虚拟ULA信号子空间的无约束最小化问题；求解所述无约束最小化问题；计算等效虚拟ULA信号矢量的信号子空间；根据所述等效虚拟ULA信号矢量的信号子空间计算DOA的估计值。

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟差分阵列的DOA跟踪方法，其特征在于，所述阵列为嵌套阵列，包括第一子空间和第二子空间，所述第一子空间包括N1个阵元，阵元间距为d，所述第二子空间包括N2个子空间，阵元间距为(N1+1)d，天线阵列的观测数据为x(t)；该方法包括：根据所述观测数据x(t)计算得到等效虚拟ULA信号矢量；将所述等效虚拟ULA信号矢量划分为多个子空间，构造关于虚拟ULA信号子空间的无约束最小化问题；求解所述无约束最小化问题；计算等效虚拟ULA信号矢量的信号子空间；根据所述等效虚拟ULA信号矢量的信号子空间计算DOA的估计值。2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟差分阵列的DOA跟踪方法，其特征在于，所述根据所述观测数据x(t)计算得到等效虚拟ULA信号矢量，具体包括：计算观测数据x(t)在时刻t的协方差矩阵R(t)；对所述协方差矩阵R(t)进行列向量化，得到虚拟差分阵列信号矢量z(t)；对所述虚拟差分阵列信号矢量z(t)去冗余、重排并取连续部分阵元后，得到等效虚拟ULA信号矢量z'(t)。3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟差分阵列的DOA跟踪方法，其特征在于，对所述虚拟ULA信号子空间的无约束最小化问题的目标方程进行近似投影；对进行近似投影后的无约束最小化问题求导并令其等于0得到等效虚拟ULA的信号子空间表达式，表达式中的逆矩阵利用多次矩阵求逆定理计算得出。4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟差分阵列的DOA跟踪方法，其特征在于，将等效虚拟ULA的信号子空间表达式划分为两部分，包括W1(t)和W2(t)，W2(t)＝W1(t)Φ；使用总体最小二乘ESPRIT算法求解出矩阵Φ的估计值进而得到DOA的估计值。5.一种基于虚拟差分阵列的DOA跟踪装置，其特征在于，所述阵列为嵌套阵列，包括第一子空间和第二子空间，所述第一子空间包括N1个阵元，阵元间距为d，所述第二子空间包...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄逸潇，郑植，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51