用于多径传播环境下极低信噪比信号的波达方向估计方法技术

本发明专利技术实施例公开了一种用于多径传播环境下极低信噪比信号的波达方向估计方法，包括：将每一天线接收的单个采样点阵列信号序列，划分为多个具有相同长度的采样点序列，扩展得到多个采样点阵列信号；确定直达波信号与所述多个采样点阵列信号的互相关函数，将所述互相关函数拆分，构造得到具有信号分量和噪声分量的增强的期望阵列信号；根据所述增强期望阵列信号，获取多径信号的波达方向。该方法通过将单个采样点阵列信号，扩展到多个采样点阵列信号，计算直达波信号与多个采样点阵列信号的互相关函数，将该互相关函数拆分，构造得到增强的期望阵列信号，从而增强回波信号的信噪比和信干比，使得估计极低信噪比回波信号的方向更准确。

DOA estimation method for very low SNR signals in multipath environment

【技术实现步骤摘要】
用于多径传播环境下极低信噪比信号的波达方向估计方法
本专利技术涉及阵列信号参数估计
，具体涉及一种用于多径传播环境下极低信噪比信号的波达方向估计方法及装置。
技术介绍
波达方向在通信、雷达、声纳和其他领域中起着重要作用，在过去的几十年中，许多方法，如基于子空间的方法，最大似然法和基于稀疏表示的方法已经在这个主题上进行了广泛的研究。在多径环境中，如电离层探测，全球导航卫星系统，机载雷达等，一些入射信号彼此高度相关，其中一些可以是相干的。在这种情况下，传统波达方向估计方法的性能受到显著影响。目前，通过采用相关预处理，可以扩展MUSIC(MultipleSignalClassification，多信号分类)，例如空间平滑和Toeplitz近似技术。此外，基于最大似然法和基于稀疏表示的方法可适用于相干场景。然而，这些方法没有考虑需要估计其波达方向的期望多径信号的信噪比非常低的情况，并且存在可以掩蔽相邻弱路径的强直达波。例如，在无源双基地雷达系统中，回波信号和直达波信号之间的功率差可以大于100dB。在低信噪比的情况下，信源的数量很难正确估计，信号子空间可能与噪声子空间交换，估计回波信号的波达方向是一个具有挑战性的问题。特别是对于阵列天线元件接收到低信噪比信号的情况下，使得极低信噪比情况下多径信号的方向估计不够准确。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种用于多径传播环境下极低信噪比信号的波达方向估计方法，它可以解决回波信号信噪比和信干比较低时的波达角估计问题，并且能构建显著提升期望回波信号信噪比和信干比的增强阵列信号，使得估计极低信噪比多径信号的方向更为准确。第一方面，本专利技术实施例提供一种用于多径传播环境下极低信噪比信号的波达方向估计方法，包括：将每一天线接收的单个采样点阵列信号序列，划分为多个具有相同长度的采样点序列，扩展得到多个采样点阵列信号；确定直达波信号与所述多个采样点阵列信号的互相关函数，将所述互相关函数拆分，构造得到具有信号分量和噪声分量的增强的期望阵列信号；根据所述增强期望阵列信号，获取多径信号的波达方向。按上述技术方案，所述S10之前，还包括：S00、通过自适应波束形成技术，从接收到的直达波信号和回波信号中获取直达波信号。按上述技术方案，所述S10包括：将K长度的单个采样点阵列信号序列分成K2个相同长度的序列，每个序列段有K1＝K/K2子序列，扩展得到多个采样点阵列信号。按上述技术方案，所述S30包括：对所述增强的期望阵列信号应用MUSIC方法，获取所述回波信号的波达方向。按上述技术方案，所述对所述增强的期望阵列信号应用MUSIC方法，获取所述回波信号的波达方向，包括：根据所述增强的期望阵列信号的数据协方差矩阵进行特征值分解，得到信号子空间和噪声子空间，基于MUSIC方法，获取所述回波信号的波达方向。按上述技术方案，所述自适应波束形成技术为稳健自适应波束形成技术。按上述技术方案，所述噪声子空间的维数为M-2；其中，M为天线阵元个数。按上述技术方案，所述获取多径信号的波达方向，包括：对所述增强的期望阵列信号应用空间平滑方法或矩阵重构方法，获取所述回波信号的波达方向。第二方面，本专利技术实施例提供一种用于多径传播环境下极低信噪比信号的波达方向估计装置，包括：阵列信号扩展模块，用于将每一天线接收的单个采样点阵列信号序列，划分为多个具有相同长度的采样点序列，扩展得到多个采样点阵列信号；期望信号构造模块，用于确定直达波信号与所述多个采样点阵列信号的互相关函数，将所述互相关函数拆分，构造得到具有信号分量和噪声分量的增强的期望阵列信号；波达方向获取模块，用于根据所述增强期望阵列信号，获取多径信号的波达方向。本专利技术具有以下有益效果：通过将阵列各通道接收信号的单个采样点阵列信号，扩展到多个采样点阵列信号，计算直达波信号与多个采样点阵列信号的互相关函数，将该互相关函数拆分，构造得到增强的期望阵列信号，从而增强回波信号的信噪比和信干比，使得估计极低信噪比回波信号的方向更准确。附图说明下面将结合附图及实施方式对本专利技术作进一步说明，附图中：图1为本专利技术实施例提供的一种用于多径传播环境下极低信噪比信号的波达方向估计方法流程图；图2为本专利技术实施例提供的波达方向时延谱图；图3为本专利技术实施例提供的三种不同方法估计直达波信号的一维空间谱图；图4为本专利技术实施例提供的一种用于多径传播环境下极低信噪比信号的波达方向估计装置结构图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示，本专利技术实施例提供一种用于多径传播环境下极低信噪比信号的波达方向估计方法，包括：S10、将每一天线接收的单个采样点阵列信号序列，划分为多个具有相同长度的采样点序列，扩展得到多个采样点阵列信号。在S10中，考虑多径传播环境，通常存在一个直达波信号，其信噪比明显大于其它多径信号，并且不存在同频干扰；多径信号通过m个全向天线入射到均匀线性阵列(ULA)上，并且信源位于阵列的远场中；接收到的原始阵列信号，即单个采样点阵列信号，可表示为：其中：k表示采样点；多径信号的数量是L+1；s(k)是时域信号；第i个多径信号具有导向矢量ai，幅度衰减ηi和时延τi；令i＝0表示直达波，因此可以使η0＝1和τ0＝0作为参考；阵列信号x(k)，导向矢量ai和阵列噪声n(k)是M×1维复矢量，M为天线的总数，m为天线的序号，m＝1,2,…,M。将x(k)，k＝1,2...,K，K的长度序列被分成K2个相同长度的序列，每个段有K1＝K/K2子序列，从而扩展得到每个阵列信号有K1＝K/K2个子序列的多个采样点阵列信号。如表1所示。表1多个采样点阵列信号S20、确定直达波信号与所述多个采样点阵列信号的互相关函数，将所述互相关函数拆分，构造得到具有信号分量和噪声分量的增强的期望阵列信号。获得的直达波信号为yD(k)≈s(k)，s(k)的自相关函数计算如下：其中，τ表示时延，*表示共轭，当时延τ＝0时，表示直达波信号的功率；自相关函数具有这样的特性：当时移τ等于0时，响应被最大化，即：cK(0)≥cK(τ)。第m个天线的接收信号xm(k)和直达波信号yD(k)≈s(k)的离散形式的互相关函数为：将组合为矩阵形式的阵列互相关函数：其中T表示转置，将互相关函数拆分，包括分别获得信号分量的互相关函数和噪声分量的互相关函数，可以将其分解并构造得到如下阵列信号：矩阵rK(τ)是M×1维的，它具有与原始阵列信号类似的形式：信号分量和噪声分量假设具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于多径传播环境下极低信噪比信号的波达方向估计方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS10、将每一天线接收的单个采样点阵列信号序列，划分为多个具有相同长度的采样点序列，扩展得到多个采样点阵列信号；/nS20、确定直达波信号与所述多个采样点阵列信号的互相关函数，将所述互相关函数拆分，构造得到具有信号分量和噪声分量的增强的期望阵列信号；/nS30、根据所述增强期望阵列信号，获取多径信号的波达方向。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于多径传播环境下极低信噪比信号的波达方向估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、将每一天线接收的单个采样点阵列信号序列，划分为多个具有相同长度的采样点序列，扩展得到多个采样点阵列信号；
S20、确定直达波信号与所述多个采样点阵列信号的互相关函数，将所述互相关函数拆分，构造得到具有信号分量和噪声分量的增强的期望阵列信号；
S30、根据所述增强期望阵列信号，获取多径信号的波达方向。


2.根据权利要求1所述的一种用于多径传播环境下极低信噪比信号的波达方向估计方法，其特征在于，所述S10之前，还包括：
S00、通过自适应波束形成技术，从接收到的直达波信号和回波信号中获取直达波信号。


3.根据权利要求1所述的一种用于多径传播环境下极低信噪比信号的波达方向估计方法，其特征在于，所述S10包括：
将K长度的单个采样点阵列信号序列分成K2个相同长度的序列，每个序列段有K1＝K/K2子序列，扩展得到多个采样点阵列信号。


4.根据权利要求1所述的一种用于多径传播环境下极低信噪比信号的波达方向估计方法，其特征在于，所述S30包括：
对所述增强的期望阵列信号应用MUSIC方法，获取所述回波信号的波达方向。


5.根据权利要求4所述的一种用于多径传播环境下极低信噪比信号的波达方向估计方法，其特征在于，所述对所述增强的期望...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋聪，黎杨，程莉，黄元峰，桂子杭，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42