波达方向的计算方法、装置及电子设备制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种波达方向的计算方法、装置及电子设备，该方法包括获取预设时刻目标信号源的入射信号；计算该入射信号的四阶累积量矩阵；对该四阶累积量矩阵进行Toeplitz运算，得到该入射信号的Toeplitz化的四阶累积量矩阵；根据该Toeplitz化的四阶累积量矩阵计算该入射信号的标准正交化矩阵；将该标准正交化矩阵代入该目标信号源的空间谱表达式，并通过多项式求根运算求解该空间谱表达式，得到预设时刻该入射信号的波达方向。本发明专利技术通过恢复四阶累积量矩阵的Toeplitz结构，并通过多项式求根运算取代OPM方法中的谱峰搜索运算，有效降低了算法的计算复杂度。

Calculating Method, Device and Electronic Equipment of DOA

【技术实现步骤摘要】
波达方向的计算方法、装置及电子设备
本专利技术涉及信号处理
，尤其是涉及一种波达方向的计算方法、装置及电子设备。
技术介绍
波达方向估计(Direction-of-Arrival，DOA)是指利用无线电信号入射到传感器阵列上的相位差信息，来确定同时位于空间某一区域内的多个目标源相对阵列天线的方位角。目前，通常采用基于特征分解子空间的二阶统计量(协方差矩阵)方法来完成目标源的DOA估计，比如：多信号分类算法(Multiplesignalclassification，MUSIC)和通过旋转不变技术估计信号参数算法(Estimationofsignalparameterviarotationinvariancetechniques，ESPRIT)。但是上述方法存在如下问题：1、对噪声干扰十分敏感，从而降低了波达方向估计的估计性能；2、可分辨的目标信号源的数量低于传感器阵元的数量；3、计算复杂度较高。因需要对数据协方差矩阵进行特征值分解或奇异值分解，导致较高的算法计算复杂度，并且随着天线阵元数量的增加，计算复杂度将剧增，不利于实时性处理。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种波达方向的计算方法、装置及电子设备，可以有效抑制噪声干扰，降低算法计算复杂度，提高目标信号源的分辨能力，并提高波达方向估计的估计性能。第一方面，本专利技术实施例提供了一种波达方向的计算方法，包括：获取预设时刻目标信号源的入射信号；计算该入射信号的四阶累积量矩阵；对该四阶累积量矩阵进行Toeplitz运算，得到该入射信号的Toeplitz化的四阶累积量矩阵；根据该Toeplitz化的四阶累积量矩阵计算该入射信号的标准正交化矩阵；将该标准正交化矩阵代入该目标信号源的空间谱表达式，并通过多项式求根运算求解该空间谱表达式，得到预设时刻该入射信号的波达方向。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述通过多项式求根运算求解该空间谱表达式的步骤，包括：提取该空间谱表达式的分母，并将该分母表达为多项式；求解该多项式得到根值；根据该根植计算预设时刻该入射信号的波达方向。结合第一方面的第一种可能的实施方式，本专利技术实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述根据该根植计算预设时刻该入射信号的波达方向的计算公式为：其中，θi表示第i个入射信号的波达方向，λ表示入射信号的波长，d表示彼此相邻的天线阵元之间的间隔，zi表示多项式的第i个根植，M表示多项式的根植总数。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，在上述计算该入射信号的四阶累积量矩阵的步骤之后，该方法还包括：对该四阶累积量矩阵进行降维，得到该入射信号降维后的四阶累积量矩阵。结合第一方面的第三种可能的实施方式，本专利技术实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，上述对该四阶累积量矩阵进行降维的步骤，包括：删除该四阶累积量矩阵中的冗余项。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，上述根据该Toeplitz化的四阶累积量矩阵计算该入射信号的标准正交化矩阵的步骤，包括：根据该Toeplitz化的四阶累积量矩阵计算该入射信号的传播算子矩阵；根据该传播算子矩阵计算该入射信号的标准正交化矩阵。结合第一方面的第五种可能的实施方式，本专利技术实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，上述根据该Toeplitz化的四阶累积量矩阵计算该入射信号的传播算子矩阵的步骤，包括：将该Toeplitz化的四阶累积量矩阵划分为两个列数相同的子矩阵；根据该子矩阵，通过最小化代价函数计算该入射信号的传播算子矩阵。结合第一方面的第六种可能的实施方式，本专利技术实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，上述根据该传播算子矩阵计算该入射信号的标准正交化矩阵的步骤，包括：获取该传播算子矩阵的最优解；根据该最优解计算该入射信号的标准正交化矩阵。第二方面，本专利技术实施例还提供了一种波达方向的计算装置，包括：入射信号获取模块，用于获取预设时刻目标信号源的入射信号；四阶累积量矩阵计算模块，用于计算该入射信号的四阶累积量矩阵；Toeplitz运算模块，用于对该四阶累积量矩阵进行Toeplitz运算，得到该入射信号的Toeplitz化的四阶累积量矩阵；标准正交化矩阵计算模块，用于根据该Toeplitz化的四阶累积量矩阵计算该入射信号的标准正交化矩阵；波达方向计算模块，用于将该标准正交化矩阵代入该目标信号源的空间谱表达式，并通过多项式求根运算求解该空间谱表达式，得到预设时刻该入射信号的波达方向。第三方面，本专利技术实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器，该存储器中存储有可在该处理器上运行的计算机程序，该处理器执行该计算机程序时实现上述第一方面及其可能的实施方式之一提供的波达方向的计算方法的步骤。本专利技术实施例带来了以下有益效果：本专利技术实施例提供的一种波达方向的计算方法、装置及电子设备，该方法包括获取预设时刻目标信号源的入射信号；计算该入射信号的四阶累积量矩阵；对该四阶累积量矩阵进行Toeplitz运算，得到该入射信号的Toeplitz化的四阶累积量矩阵；根据该Toeplitz化的四阶累积量矩阵计算该入射信号的标准正交化矩阵；将该标准正交化矩阵代入该目标信号源的空间谱表达式，并通过多项式求根运算求解该空间谱表达式，得到预设时刻该入射信号的波达方向。在该方法中，利用四阶累积量(FOC)具有有效抑制高斯噪声和扩展阵列孔径的性能，通过恢复四阶累积量矩阵的Toeplitz结构，使得Toeplitz化的矩阵更加接近真实情况，提高了高波达方向估计精度；并且，该方法基于多项式求根的OPM方法，通过多项式求根运算取代OPM方法中的谱峰搜索运算，进一步降低了算法的计算复杂度，并提高了目标信号源的分辨能力。本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种波达方向估计的应用场景示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种波达方向的计算方法的流程示意图；图3为本专利技术实施例提供的TFOC-OPRM算法与FOC-OPM算法、MFOC-OPM算法分别在空间白噪声和色噪声情况下的空间谱估计波形的对比示意图；图4为本专利技术实施例提供的TFOC-OPRM算法与FOC-OPM算法、MFOC-OPM算法分别在空间白噪声和色噪声情况下的均方根误差随信噪比的变化性能曲线的对比示意图；图5为本专利技术实施例提供的TFOC-OPRM算法与FOC-OPM算法、MFOC-OPM算法分别在空间白噪声和色噪声情况下的均方根误差随采样快拍数的变化性能曲线的对比示意图；图6为本专利技术实施例提供的一种TFOC-OPRM算法与FOC-OP本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种波达方向的计算方法，其特征在于，包括：获取预设时刻目标信号源的入射信号；计算所述入射信号的四阶累积量矩阵；对所述四阶累积量矩阵进行Toeplitz运算，得到所述入射信号的Toeplitz化的四阶累积量矩阵；根据所述Toeplitz化的四阶累积量矩阵计算所述入射信号的标准正交化矩阵；将所述标准正交化矩阵代入所述目标信号源的空间谱表达式，并通过多项式求根运算求解所述空间谱表达式，得到预设时刻所述入射信号的波达方向。

【技术特征摘要】
1.一种波达方向的计算方法，其特征在于，包括：获取预设时刻目标信号源的入射信号；计算所述入射信号的四阶累积量矩阵；对所述四阶累积量矩阵进行Toeplitz运算，得到所述入射信号的Toeplitz化的四阶累积量矩阵；根据所述Toeplitz化的四阶累积量矩阵计算所述入射信号的标准正交化矩阵；将所述标准正交化矩阵代入所述目标信号源的空间谱表达式，并通过多项式求根运算求解所述空间谱表达式，得到预设时刻所述入射信号的波达方向。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过多项式求根运算求解所述空间谱表达式的步骤，包括：提取所述空间谱表达式的分母，并将所述分母表达为多项式；求解所述多项式得到根值；根据所述根植计算预设时刻所述入射信号的波达方向。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述根植计算预设时刻所述入射信号的波达方向的计算公式为：其中，θi表示第i个入射信号的波达方向，λ表示入射信号的波长，d表示彼此相邻的天线阵元之间的间隔，zi表示多项式的第i个根植，M表示多项式的根植总数。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述计算所述入射信号的四阶累积量矩阵的步骤之后，所述方法还包括：对所述四阶累积量矩阵进行降维，得到所述入射信号降维后的四阶累积量矩阵。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对所述四阶累积量矩阵进行降维的步骤，包括：删除所述四阶累积量矩阵中的冗余项。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述Toeplitz化的四阶累积量矩阵计算所述入射信号的标准正交化矩阵的步骤，包...

【专利技术属性】
技术研发人员：石和平，关志伟，张丽珠，马宁，
申请(专利权)人：天津职业技术师范大学中国职业培训指导教师进修中心，
类型：发明
国别省市：天津,12