基于非均匀阵列的相干信源DOA估计FPGA实现方法技术

本发明专利技术属于阵列信号处理技术领域，具体涉及一种基于非均匀阵列的相干信源DOA估计FPGA实现方法。包括自适应协方差矩阵计算模块，多级流水特征分解模块，双阈值信源数估计模块和谱峰搜索模块；自适应协方差矩阵计算模块的输入为采样数据，输出与多级流水特征分解模块输入相连；多级流水特征分解模块输出与双阈值信源数估计模块输入相连，双阈值信源数估计模块输出与谱峰搜索模块相连；本发明专利技术可以实现中心对称非均匀阵列相干信源的DOA估计，可以采用不同的数据格式，按需进行设计，采用按快拍数计算协方差矩阵和并行雅克比计算方案，缩短了运算时间；采用流水线结构的设计思想在保证运算精度的前提下，最大限度地优化了资源和速度。

【技术实现步骤摘要】
基于非均匀阵列的相干信源DOA估计FPGA实现方法
本专利技术属于阵列信号处理
，具体涉及一种基于非均匀阵列的相干信源DOA估计FPGA实现方法。
技术介绍
波达方向估计是阵列信号处理的重要分支之一，在雷达、通信、声呐等众多领域有着广阔的应用前景。均匀阵列存在阵列孔径小，测向精度低、分辨力差和实际应用时受限于天线物理尺寸无法满足最小阵元间距小于入射信源半波长无模糊测向条件的缺点，难以适用现代复杂的电磁环境中。非均匀阵列较相同阵元数的均匀阵列可以拥有更大的孔径，更高的分辨率和更高的自由度，合理的设置阵列结构既能避免测向模糊又能提高测向性能，采用对称阵元设置或阵元间距组合设置阵列不仅可以扩大阵列孔径，提高测角精度还能利用空间平滑来进行解相干，改善非均匀阵列的解相干能力。MUSIC算法主要分为协方差计算、特征分解、信源数估计和谱峰搜索四个部分，特征分解及谱峰搜索需要进行大量的计算，采用的DSP实现DOA估计所需时间在ms级别很难满足实时测向的要求，而采用FPGA来实现DOA估计并行度高，可以采用流水实现，大大减少DOA估计所需时间，实现us级DOA估计。MUSIC算法现有的研究中协方差计算部分采用并行执行的分组方案通常控制电路复杂，不能实现快拍数可变计算，没有相应的解相干模块设计且对非中心对称的阵列实数化的考虑较少。特征分解部分包含大量非线性运算，已有的采用串行的Jacobi运算实现耗时较长，采用并行的Jacobi算法来实现特征分解，减少特征分解的耗时。谱峰搜索部分通常采用存储器电路得到导向矢量，通过直接读取的值来计算空间谱函数，需要消耗大量的存储资源。专利
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于非均匀阵列的相干信源DOA估计FPGA实现方法，该实现方法适用于可平滑解相干的非均匀阵列，并在FPGA平台上实现的硬件设计，验证了可行性。本专利技术的目的是这样实现的：基于非均匀阵列的相干信源DOA估计FPGA实现方法，该方法包括以下步骤：步骤1：将接收信号输入自适应协方差矩阵计算模块，计算得到接收信号的自适应协方差矩阵；步骤2：将得到的自适应协方差矩阵输入多级流水特征分解模块，进行多流水特征值分解，得到协方差矩阵的特征值及特征向量；步骤3：将得到的特征值及特征向量输入双阈值信源数估计模块，判断信源个数并得到噪声子空间；步骤4：将双阈值信源数估计模块的输出，输入谱峰搜索模块，计算得到谱函数判断比较所有极值点后所得的存储值即为信源所在方向。步骤1所述的自适应协方差矩阵计算模块包括自相关矩阵计算模块，平滑处理模块，实数化处理模块；所述的自相关矩阵计算模块采用多路并行计算得到每个快拍的计算结果，对每个快拍的计算结果进行累加得到自相关矩阵上三角元素值，接收数据的自相关矩阵计算式为：其中L为快拍数，的计算式为：其中(p,q＝1,...,6)；自相关矩阵计算模块包括复数乘法器和累加器；复数乘法器的输入为对应的采样数据，累加器对单个快拍的结果进行累加，并利用输入的快拍数L进行控制得到自相关矩阵的计算结果；平滑处理模块根据空间平滑原理对自相关矩阵相应位置的数据进行求和运算，对上述计算所得的自相关矩阵中相应位置的元素进行求和，计算式为：其中rpq(p,q＝1,2,...,6)为自相关矩阵中对应位置的元素；实数化处理模块对平滑后的部分结果进行求反运算，将信号的协方差矩阵从复数域转化到实数域，根据特征分解的性质得Ru＝λu，其中λ为协方差矩阵的特征值，R为信号的协方差矩阵且为复数矩阵，表示为R＝Rr+iRi，Rr表示矩阵R的实部，Ri表示矩阵R的虚部，u为协方差矩阵的特征矢量，u表示为u＝ur+iui，ur表示向量u的实部，ui表示向量u的虚部，带入上式得：将矩阵按照转化即将复数矩阵转化为实数矩阵，对平滑后的矩阵上三角元素的虚部求相反数并输出待分解的协方差矩阵上三角元素的计算结果。步骤2所述的多级流水特征分解模块用于计算协方差矩阵的特征值及特征向量，包括多级清扫模块，其输入为协方差矩阵，输出为特征值过渡矩阵中主对角线的数据及特征向量矩阵；每一级清扫模块完成特征值过渡矩阵中所有上三角元素的清扫及特征向量过渡矩阵的更新。步骤3所述的双阈值信源数估计模块用于判断信源个数并得到噪声子空间，包括特征值排序模块，阈值判断模块，噪声子空间求解模块；特征值排序模块用于对输入的特征值进行排序，阈值判断模块用来判断信源个数，噪声子空间求解模块通过排序的和信源个数的估计结果对输入的特征向量矩阵进行处理筛选得到噪声子空间矩阵。步骤4所述的谱峰搜索模块包括导向矢量计算模块，空间谱函数计算模块，极值检验模块和峰值判断模块；导向矢量计算模块输入为信源频率、阵元位置坐标和存储在ROM中的sin(θ)值，用来计算导向矢量的值，其计算公式为：其中，θ为搜索角度，di为阵元位置坐标，f为入射信源频率，c为光速；空间谱函数计算模块输入为噪声子空间和导向矢量，谱函数计算公式为：其中Q为信源数，vi为噪声子空间中第i列向量，a(θ)为导向矢量；极值检验模块用于判断谱函数中的极小值点，并将极值点输出到峰值判断模块，峰值判断模块将极值点与存储的值进行判断，若小于存储的值则对存储值进行更新，否则存储值保持不变，判断比较所有极值点后所得的存储值即为信源所在方向。所述的每一级清扫模块包括输入控制模块，单次清扫模块，输出控制模块；输入控制模块用于控制特征值过渡矩阵元素的位置调整和特征向量过渡矩阵的输入；单次清扫模块对特征值过渡矩阵中某个位置的元素并行进行清扫，计算得到更新后的特征值过渡矩阵和特征向量过渡矩阵；输出控制模块用于单次清扫后将运算结果传送至输入控制模块，并在一级清扫结束后控制数据的输出。所述的单次清扫模块包括输入缓存模块，旋转矩阵计算模块，特征值过渡矩阵计算模块，特征向量过渡矩阵计算模块，输出缓存模块；所述的旋转矩阵计算模块用于计算特征值过渡矩阵中某个位置元素的旋转角度并将旋转矩阵传送至特征值过渡矩阵计算模块和特征向量过渡矩阵计算模块，特征值过渡矩阵计算模块将输入缓存的特征值过渡矩阵与旋转矩阵相乘得到更新后的特征值过渡矩阵并传送至输出缓存模块，特征向量过渡矩阵计算模块将输入缓存的特征向量过渡矩阵与旋转矩阵相乘得到更新后的特征向量过渡矩阵并传送至输出缓存模块，旋转矩阵计算模块，包括5个相同的计算单元，用来计算旋转角的正余弦值，旋转角的计算式为：以第一组S1为例，利用得到旋转角度构造旋转矩阵表示为下式：因此特征值矩阵更新计算式为：R'＝WR'WT特征向量矩更新计算式为：V'＝WV'其中R'的初始值为实数化对称矩阵V'的初始值为单位矩阵。所述的特征值排序模块包括N个相同的比较单元，其中N为特征值的个数，采用N路并行实现特征值每两个之间的比较，每个比较单元一个端口输入固定的特征值a，另一端口按顺序输入不同的特征值b，若a＜b，输出结果result+1；否则，若a＝b，比较特征值a与b的位置标志，a的位置在b的位置之前，输出结果result+1；a的位置不在b的位置之前，输出结果result保持不变。本专利技术有益效果在于：(1)本专利技术自适应协方差计算模块按快拍数进行计算，可以实现不同快拍采样数据的自相关矩阵计算，此外也利于流水实现，缩短运算时间；(2)本专利技术中采用空间平滑模块来实现对相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于非均匀阵列的相干信源DOA估计FPGA实现方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：将接收信号输入自适应协方差矩阵计算模块，计算得到接收信号的自适应协方差矩阵；步骤2：将得到的自适应协方差矩阵输入多级流水特征分解模块，进行多流水特征值分解，得到协方差矩阵的特征值及特征向量；步骤3：将得到的特征值及特征向量输入双阈值信源数估计模块，判断信源个数并得到噪声子空间；步骤4：将双阈值信源数估计模块的输出，输入谱峰搜索模块，计算得到谱函数判断比较所有极值点后所得的存储值即为信源所在方向。

【技术特征摘要】
1.基于非均匀阵列的相干信源DOA估计FPGA实现方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：将接收信号输入自适应协方差矩阵计算模块，计算得到接收信号的自适应协方差矩阵；步骤2：将得到的自适应协方差矩阵输入多级流水特征分解模块，进行多流水特征值分解，得到协方差矩阵的特征值及特征向量；步骤3：将得到的特征值及特征向量输入双阈值信源数估计模块，判断信源个数并得到噪声子空间；步骤4：将双阈值信源数估计模块的输出，输入谱峰搜索模块，计算得到谱函数判断比较所有极值点后所得的存储值即为信源所在方向。2.根据权利要求1所述的基于非均匀阵列的相干信源DOA估计FPGA实现方法，其特征在于：步骤1所述的自适应协方差矩阵计算模块包括自相关矩阵计算模块，平滑处理模块，实数化处理模块；所述的自相关矩阵计算模块采用多路并行计算得到每个快拍的计算结果，对每个快拍的计算结果进行累加得到自相关矩阵上三角元素值，接收数据的自相关矩阵计算式为：其中L为快拍数，的计算式为：其中自相关矩阵计算模块包括复数乘法器和累加器；复数乘法器的输入为对应的采样数据，累加器对单个快拍的结果进行累加，并利用输入的快拍数L进行控制得到自相关矩阵的计算结果；平滑处理模块根据空间平滑原理对自相关矩阵相应位置的数据进行求和运算，对上述计算所得的自相关矩阵中相应位置的元素进行求和，计算式为：其中rpq(p,q＝1,2,...,6)为自相关矩阵中对应位置的元素；实数化处理模块对平滑后的部分结果进行求反运算，将信号的协方差矩阵从复数域转化到实数域，根据特征分解的性质得Ru＝λu，其中λ为协方差矩阵的特征值，R为信号的协方差矩阵且为复数矩阵，表示为R＝Rr+iRi，Rr表示矩阵R的实部，Ri表示矩阵R的虚部，u为协方差矩阵的特征矢量，u表示为u＝ur+iui，ur表示向量u的实部，ui表示向量u的虚部，带入上式得：将矩阵按照转化即将复数矩阵转化为实数矩阵，对平滑后的矩阵上三角元素的虚部求相反数并输出待分解的协方差矩阵上三角元素的计算结果。3.根据权利要求2所述的基于非均匀阵列的相干信源DOA估计FPGA实现方法，其特征在于：步骤2所述的多级流水特征分解模块用于计算协方差矩阵的特征值及特征向量，包括多级清扫模块，其输入为协方差矩阵，输出为特征值过渡矩阵中主对角线的数据及特征向量矩阵；每一级清扫模块完成特征值过渡矩阵中所有上三角元素的清扫及特征向量过渡矩阵的更新。4.根据权利要求1所述的基于非均匀阵列的相干信源DOA估计FPGA实现方法，其特征在于：步骤3所述的双阈值信源数估计模块用于判断信源个数并得到噪声子空间，包括特征值排序模块，阈值判断模块，噪声子空间求解模块；特征值排序模块用于对输入的特征值进行排序，阈值判断模块用来判断信源个数，噪声子空间求解模块通过排序的和信源个数的估计结果对输入的特征向量矩阵进行处理筛选得到噪声子空间矩阵。5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈涛，赵祎敏，刘鲁涛，史林，沈相相，汪夕琳，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23