一种基于L型阵列的二维DOA估计方法技术

本发明专利技术公开了阵列信号角度估计技术领域的一种基于L型阵列的二维DOA估计方法，包括以下步骤：步骤1：建立阵列接收的时域模型；步骤2：将实际的导向矢量分解，并利用哈达玛积对分解后的矢量进行处理；将利用哈达玛积处理后的矢量的后Q个元素置于实际导向矢量的尾部，构建虚拟导向矢量；步骤3：根据虚拟导向矢量构建接收信号自相关矩阵的估计

A 2-D DOA estimation method based on L-type array

【技术实现步骤摘要】
一种基于L型阵列的二维DOA估计方法
本专利技术涉及阵列信号角度估计
，具体为一种基于L型阵列的二维DOA估计方法。
技术介绍
波达方向(DOA)估计是阵列信号处理领域的重要研究内容，在雷达、无线通信、声纳等领域都有广泛的应用。传统的子空间类方法以多重信号分类(MUSIC)算法为代表，从线性空间的概念入手，实现了超高分辨率的DOA估计，具有优良的算法稳定性。但面对地面雷达、非合作通信等实际应用场景中经常出现的信源数大于阵列阵元数目的情况，传统的子空间类方法由于需要提取噪声子空间或信号子空间，且信号子空间维数必须小于接收信号协方差矩阵的维数，故无法解决此类欠定问题和估计信号DOA。为了能有效估计更多信源的DOA和提高估计精度，通常需要增加实际阵列的阵元个数以扩大接收信号协方差矩阵的维数和阵列孔径；但阵元数目的增加势必带来工程应用中设备复杂度和成本的增加。为了解决有限阵元数目下的欠定问题，有学者提出了互质阵的概念，但互质阵阵元间距为信源半波长数倍的特性导致DOA估计中出现角度模糊的问题，且互质阵阵列结构较为复杂。考虑到L型阵列结构简单、具有高估计精度和易于工程实现的优点，本专利技术设计了一种基于L型阵列的二维DOA估计方法，以解决上述提到的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于L型阵列的二维DOA估计方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于L型阵列的二维DOA估计方法，包括以下步骤：步骤1：建立阵列接收的时域模型；步骤2：将实际的导向矢量分解，并利用哈达玛积对分解后的矢量进行处理；将利用哈达玛积处理后的矢量的后Q个元素置于实际导向矢量的尾部，构建虚拟导向矢量；步骤3：根据虚拟导向矢量构建接收信号自相关矩阵的估计并对进行特征值分解，获得噪声子空间的估计；步骤4：构建空间谱函数，根据谱峰搜索估计入射信号的DOA。优选的，所述步骤1的具体方法如下：假设K个不相关的远场窄带信号S1(t),S2(t),…SK(t)分别以俯仰角θk(k＝1,2,…,K)和方位角φk(k＝1,2,…,K)同时入射到一个L型接收天线阵列上，信号的波长为λ，该L型阵列天线由两个各包含M根天线的均匀线阵组成，天线间距为d＝λ2，令阵列中的天线均为全向天线，天线增益均为单位增益，则入射信号在x轴和y轴上的表达式分别为：X(t)＝AxS(t)+Nx(t)，Y(t)＝AyS(t)+Ny(t)，其中，信源矩阵S(t)＝[S1(t),S2(t),…SK(t)]T，Nx(t)和Ny(t)均为N维噪声矩阵，Ax＝[ax,1,ax,2,…,ax,K]和Ay＝[ay,1,ay,2,…,ay,K]分别为x轴和y轴上的方向矩阵，且L型全阵列接收信号矩阵Z(t)的表达式可以表示为：对接收信号矩阵Z(t)做LL次快拍可得Z(n)(n＝1,2,…,LL)，接收信号的自相关矩阵估计优选的，所述步骤2的具体方法如下：步骤2.1：将x轴和y轴上的导向矢量ax,k和ay,k(k＝1,2,…,K)分别分解成两个矢量，即步骤2.2：采用哈达玛乘积对步骤2.1中的矢量和(k＝1,2,…,K)进行操作，可得其中，符号“⊙”表示哈达玛乘积运算，同理可得，此时，和均为M-1维矢量；步骤2.3：当阵元数M为偶数时，取Q＝(M-2)/2；当阵元数M为奇数时，取Q＝(M-1)/2，依次从矢量和矢量中分别取出后Q个元素，并将其分别置于导向矢量ax,k和ay,k尾部，组成新的虚拟导向矢量和此时，虚拟导向矢量和均为M+Q维矢量。优选的，所述步骤3的具体方法如下：根据虚拟导向矢量构建的接收信号可以表示为：其中，虚拟方向矩阵虚拟方向矩阵和均为噪声矢量，故根据虚拟导向矢量构建的L型全阵列虚拟接收信号矩阵为对虚拟接收信号矩阵做LL次快拍可得(n＝1,2,…,LL)，虚拟接收信号的自相关矩阵估计对自相关矩阵的估计做特征值分解，可得其中，和分别为此时的信号子空间和噪声子空间的估计，和均为对角阵。优选的，所述步骤4的具体方法如下：根据所提方法估计出的信号空间谱函数为其中，对空间谱函数PMUSIC-V(θ,φ)进行峰值搜索，K个极大值对应的俯仰角θ和方位角φ即为入射信号的DOA估计结果。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、通过构建虚拟导向矢量可得到Q个虚拟阵元，使得L型接收阵列中每个均匀线阵的阵元数目增长至M+Q，故可准确估计出信源数目大于阵元数目情况下非相关来波信号的DOA，有效解决实际中有限阵元数目下的欠定问题；2、构建虚拟导向矢量带来的虚拟阵元扩大了阵列孔径，在接收阵元数目有限的情况下，降低了实际应用中设备的复杂度和硬件成本；3、提高了DOA角度估计的精度，并能更加精确地区分来波方向相近的不同方向上非相干信号的DOA。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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的L型天线阵列的结构示意图；图2为本专利技术的信号DOA估计方法示意图；图3为本专利技术为欠定情况下所提方法估计信号DOA的效果图；图4为本专利技术为欠定情况下信号DOA估计值和真实值的对比图；图5为本专利技术不同信源数目下MUSIC算法和所提方法估计出的DOA数目对比图；图6为本专利技术非相关信号下俯仰角角度的估计性能随信噪比的变化曲线；图7为本专利技术为非相关信号下方位角角度的估计性能随信噪比的变化曲线。具体实施方式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，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本专利技术保护的范围。参阅图1-2：本专利技术提供一种技术方案：一种基于L型阵列的二维DOA估计方法，包括以下步骤：步骤1：建立阵列接收的时域模型；假设K个不相关的远场窄带信号S1(t),S2(t),…SK(t)分别以俯仰角θk(k＝1,2,…,K)和方位角φk(k＝1,2,…,K)同时入射到一个L型接收天线阵列上，信号的波长为λ，该L型阵列天线由两个各包含M根天线的均匀线阵组成，天线间距为d＝λ/2，L型阵列天线的结构见附图说明中图1所示。令阵列中的天线均为全向天线，天线增益均为单位增益，则入射信号在x轴和y轴上的表达式分别为：X(t)＝AxS(t)+Nx(t)，Y(t)＝AyS(t)+Ny(t)，其中，信源本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于L型阵列的二维DOA估计方法，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤1：建立阵列接收的时域模型；/n步骤2：将实际的导向矢量分解，并利用哈达玛积对分解后的矢量进行处理；将利用哈达玛积处理后的矢量的后Q个元素置于实际导向矢量的尾部，构建虚拟导向矢量；/n步骤3：根据虚拟导向矢量构建接收信号自相关矩阵的估计

【技术特征摘要】
1.一种基于L型阵列的二维DOA估计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：建立阵列接收的时域模型；
步骤2：将实际的导向矢量分解，并利用哈达玛积对分解后的矢量进行处理；将利用哈达玛积处理后的矢量的后Q个元素置于实际导向矢量的尾部，构建虚拟导向矢量；
步骤3：根据虚拟导向矢量构建接收信号自相关矩阵的估计并对进行特征值分解，获得噪声子空间的估计；
步骤4：构建空间谱函数，根据谱峰搜索估计入射信号的DOA。


2.根据权利要求1所述的一种基于L型阵列的二维DOA估计方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法如下：
假设K个不相关的远场窄带信号S1(t),S2(t),…SK(t)分别以俯仰角θk(k＝1,2,…,K)和方位角φk(k＝1,2,…,K)同时入射到一个L型接收天线阵列上，信号的波长为λ，该L型阵列天线由两个各包含M根天线的均匀线阵组成，天线间距为d＝λ/2，令阵列中的天线均为全向天线，天线增益均为单位增益，则入射信号在x轴和y轴上的表达式分别为：
X(t)＝AxS(t)+Nx(t)，Y(t)＝AyS(t)+Ny(t)，
其中，信源矩阵S(t)＝[S1(t),S2(t),…SK(t)]T，Nx(t)和Ny(t)均为N维噪声矩阵，Ax＝[ax,1,ax,2,…,ax,K]和Ay＝[ay,1,ay,2,…,ay,K]分别为x轴和y轴上的方向矩阵，且






L型全阵列接收信号矩阵Z(t)的表达式可以表示为：



对接收信号矩阵Z(t)做LL次快拍可得Z(n)(n＝1,2,…,LL)，接收信号的自相关矩阵估计


3.根据权利要求1所述的一种基于L型阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：王薇，马亚红，范小娇，张善文，徐聪，王旭启，田笑成，赵穆清，
申请(专利权)人：西京学院，
类型：发明
国别省市：陕西;61