一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法技术

本发明专利技术属于信号处理技术领域，具体涉及一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法，建立均匀线阵的阵列信号模型；根据所述阵列信号模型计算得到阵列接收数据和协方差矩阵；根据所述阵列接收数据和所述协方差矩阵的厄米特‑托普利兹特性将所述阵列接收数据的协方差拟合问题转换为半正定规划问题，并且使用凸优化工具包来求解得到估计观测协方差矩阵；根据所述估计观测协方差矩阵重新构造T矩阵，并使用范德蒙分解定理分解所述T矩阵得到估计的DOA参数。具有优异性能及很强的稳健性。

【技术实现步骤摘要】
一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法
本专利技术属于信号处理
，具体涉及一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法。
技术介绍
阵列的DOA估计在过去的三十年中一直是阵列信号处理中的一个重要组成部分，在之前的很多文献中已经提出了大量用于DOA估计的算法，如传统的基于波束形成的空间谱估计方法和基于子空间的DOA估计方法，它们在谱搜索的时候需要对空域搜索角度进行栅格化，然而目标信号源的DOA属于连续角度空间而不是离散角度空间，栅格划分太密集会导致计算复杂度太高，甚至不满足有限等距性质；栅格划分太稀疏，算法的精度会降低严重，因此基于栅格划分的方法都会不可避免地带来估计偏差或者无法满足实时性的问题，并在很大程度上影响估计性能。压缩感知是一种从较少样本中重建高维信号的技术，被引入DOA估计区域后专利技术了很多稀疏方法，与基于子空间的方法相比，稀疏方法适的应用场景更加广泛，但其主要缺点不容忽视。为了实现稀疏性，稀疏方法要求目标信号源在整个角度空间中是稀疏的，因此也需要将角度空间离散化为一组有限的栅格，并且还需假设信号源的方向恰好位于栅格上，这样的假设在原理上就存在误差。实际上目标信号源的位置位于连续的无限角度集中，因此假设仅在集合的大小趋于无穷大时才成立，这导致不可接受的计算成本。因此稀疏的DOA估计方法同样会不可避免的带来估计偏差并在很大程度上影响估计性能。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法，包括：建立均匀线阵的阵列信号模型；根据所述阵列信号模型计算得到阵列接收数据和协方差矩阵；根据所述阵列接收数据和所述协方差矩阵的厄米特-托普利兹特性将所述阵列接收数据的协方差拟合问题转换为半正定规划问题，并且使用凸优化工具包来求解得到估计观测协方差矩阵；根据所述估计观测协方差矩阵重新构造T矩阵，并使用范德蒙分解定理分解所述T矩阵得到估计的DOA参数。在本专利技术的一个实施例中，建立均匀线阵的阵列信号模型，包括：设定阵元个数M、阵元间距d、信号波长λ、目标信源个数D个目标到达角度θ1、θ2...θD；根据所述阵元个数M、阵元间距d、信号波长λ、目标信源个数D个目标到达角度θ1、θ2...θD构建均匀线阵的阵列信号模型。在本专利技术的一个实施例中，所述均匀线阵的阵列信号模型表达式为：其中，在本专利技术的一个实施例中，所述阵列接收数据的表达式为：其中，ai为第i个信号的导向矢量，A为阵列流型；sk(t)为第k个目标信号源的复包络，s(t)＝[s0(t),s1(t)…sD-1(t)]T；n(t)为M×1维的阵列噪声矢量，n(t)＝[n1(t),n2(t),...,nM(t)]T。在本专利技术的一个实施例中，所述协方差矩阵表达式为：R＝E[y(t)yH(t)]＝A(θ)diag(p)AH(θ)+diag(σ)，其中，E(·)为数学期望，H为共轭转置，A为阵列流型，σ为噪声的方差参数，θ为目标达到角度。本专利技术的有益效果：第一，本专利技术的干扰子空间完全从数据中估计得到，抗干扰性能对系统误差具有稳健性；第二，本专利技术具有与传统的稀疏和参数估计方法一样的稳定估计性能，同时运行时间明显优于传统方法；第三，经阵列校准处理后的本专利技术具有良好的DOA估计性能，有利于实际工程化，在实际工程中有较高的应用价值。以下将结合附图及实施例对本专利技术做进一步详细说明。附图说明图1是本专利技术实施例提供的一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法的流程示意图；图2是本专利技术实施例提供的一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法T矩阵快速重构算法下双信源(10°，20°)的DOA估计仿真结果；图3是本专利技术实施例提供的一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法T矩阵快速重构算法下双信源(12°，18°)的DOA估计仿真结果；图4是本专利技术实施例提供的一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法T矩阵快速重构算法下双信源(5°，30°)的DOA估计仿真结果；图5是本专利技术实施例提供的一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法T矩阵快速重构算法下三信源(5°，15°，30°)的DOA估计仿真结果；图6是本专利技术实施例提供的一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法T矩阵快速重构算法下双信源(5°，30°)的均方根误差随快拍数的变化图；图7是本专利技术实施例提供的一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法T矩阵快速重构算法下三信源(10°，15°，30°)DOA估计值的均方根误差随快拍数的变化图；图8是本专利技术实施例提供的一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法T矩阵快速重构算法下强弱信号的DOA估计仿真结果；图9是本专利技术实施例提供的一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法T矩阵快速重构算法下强弱信源DOA估计值的均方根误差随快拍数的变化图；图10是本专利技术实施例提供的一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法T矩阵重构算法与SPA算法运行时间对比图；图11是本专利技术实施例提供的一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法T矩阵重构算法与SPA算法DOA估计精度对比图；图12是本专利技术实施例提供的一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法存在幅相误差校正前后的DOA估计成功概率结果对比图；图13是本专利技术实施例提供的一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法无随机幅相误差时均匀线阵的DOA估计结果；图14是本专利技术实施例提供的一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法存在随机幅相误差时经校正处理后均匀线阵的DOA估计结果；图15是本专利技术实施例提供的一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法无随机幅相误差时稀疏线性阵列的DOA估计结果；图16是本专利技术实施例提供的一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法存在随机幅相误差时经校正处理后稀疏线性阵列的DOA估计结果；图17是本专利技术实施例提供的一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法无随机幅相误差时DOA估计值的均方根误差随快拍数的变化图；图18是本专利技术实施例提供的一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法存在随机幅相误差时经校正处理后DOA估计值的均方根误差随快拍数的变化图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。请参见图1，图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法，其特征在于，包括：/n建立均匀线阵的阵列信号模型；/n根据所述阵列信号模型计算得到阵列接收数据和协方差矩阵；/n根据所述阵列接收数据和所述协方差矩阵的厄米特-托普利兹特性将所述阵列接收数据的协方差拟合问题转换为半正定规划问题，并且使用凸优化工具包来求解得到估计观测协方差矩阵；/n根据所述估计观测协方差矩阵重新构造T矩阵，并使用范德蒙分解定理分解所述T矩阵得到估计的DOA参数。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法，其特征在于，包括：
建立均匀线阵的阵列信号模型；
根据所述阵列信号模型计算得到阵列接收数据和协方差矩阵；
根据所述阵列接收数据和所述协方差矩阵的厄米特-托普利兹特性将所述阵列接收数据的协方差拟合问题转换为半正定规划问题，并且使用凸优化工具包来求解得到估计观测协方差矩阵；
根据所述估计观测协方差矩阵重新构造T矩阵，并使用范德蒙分解定理分解所述T矩阵得到估计的DOA参数。


2.根据权利要求1所述的利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计方法，其特征在于，建立均匀线阵的阵列信号模型，包括：
设定阵元个数M、阵元间距d、信号波长λ、目标信源个数D个目标到达角度θ1、θ2...θD；
根据所述阵元个数M、阵元间距d、信号波长λ、目标信源个数D个目标到达角度θ1、θ2...θD构建均匀线阵的阵列信号模型。


3.根据权利要求2所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾操，张涛，梁超，陶海红，杨志伟，廖桂生，朱圣棋，许京伟，刘婧，刘永军，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61