本发明专利技术公开了基于秩损估计的二维DOA估计与互耦校正方法，属于阵列信号处理技术领域。本发明专利技术首先通过构造互耦误差矩阵构建均匀平面天线阵列在互耦误差下的信号接收模型；然后利用参数映射的变换域关系将信源数据与互耦误差向量分离开，再利用秩损估计准则构造相应的谱峰搜索函数，实现二维方位参数的估计；最后利用已经得到的估计方位参数，构造解耦合矩阵，实现对互耦矩阵的估计，进而据此可以进行互耦校正。在此基础上本文利用合适仿真对所提方法的估计结果进行验证，所提出的方法与现有估计算法相比，其DOA估计结果均方根误差更小，估计成功率更高，表示本文所提方法性能更优。表示本文所提方法性能更优。表示本文所提方法性能更优。
【技术实现步骤摘要】
一种基于秩损估计的二维DOA估计与互耦校正方法
[0001]本专利技术涉及阵列信号处理相关领域，可以应用于无线通信、雷达定位等方面，尤其适用于解决天线阵列存在互耦误差条件下的二维DOA估计及互耦校正的问题。
技术介绍
[0002]阵列信号处理一直以来都是众多学者研究的热点方向之一，由于其在卫星通信、雷达探测、水下定位等方面有着众多的应用，故与此相关的的技术近年来得到了广泛而快速的发展。阵列信号处理的目的是对阵列接收到的数据进行采样，进而通过分析算法进行计算，从而得到期望信号的参数信息。
[0003]波达方向(DOA)估计是阵列信号处理的一个重要分支。DOA估计的主要目的是为了判断空间内位于某个区域的多个感兴趣的信号的空间位置，也就是各个信号到达阵列参考阵元的方位角和俯仰角。由于二维DOA估计可以在三维空间中的信源位置进行估计，符合实际工程的要求，故而得到了众多学者的广泛研究。二维MUSIC算法是一种典型的二维DOA估计算法，该算法可以实现对二维角度的渐进无偏估计，但其实现过程需要进行二维空间的谱峰搜索，导致计算量过高。后续有学者研究将ESPRIT算法应用到二维DOA估计算法中，这种算法不需要谱峰搜索，所以计算量较小，具有较高的应用价值。
[0004]上述算法都需要已知精确的阵列流型，然而在实际应用的过程中，各天线之间存在着固有的电磁效应，一根天线接收到的信号能量可能会辐射到其他附近的天线上去，尤其在阵元间距较小时，这种电磁辐射效应更加严重，通常将天线之间的这种相互作用成为互耦效应。对于二维平面阵列而言，每个阵元附近的阵元数量较多，这种互耦效应尤其严重，此时理想的阵列流型将会由于这种电磁扰动发生变化，不再能够满足实际工程需求，若不对这种扰动进行处理，现有的很多天线信号处理技术的性能将会恶化，算法实用性也将大大降低。当前对于解决互耦问题的研究，大多是基于一维DOA估计问题展开的。针对平面阵下的二维DOA估计的互耦问题，目前主要是通过在阵列外设置辅助阵元的方式实现的，当处于天线阵列一致耦合的状态下，利用MUSIC算法对二维DOA进行估计。这种算法会对阵列孔径产生损失，而且谱峰搜索的的计算量也比较大。针对此类问题，本专利技术基于均匀平面阵列提出了一种互耦条件下的二维DOA估计算法，以获得更加准确的信源方位，便于进行互耦误差校正，系统框图如图1所示。
技术实现思路
[0005]本专利技术主要解决的技术问题是，考虑均匀平面天线阵列在接收发射信号的过程中，天线阵列间存在的互耦效应，采用秩损估计准则来设计算法，使得二维DOA估计的降维操作得以实现，从而得到二维DOA参数的估计值，再通过特征值分解的操作得到互耦系数估计值，以实现互耦误差的校正。
[0006]为解决上述问题，本专利技术采用如下的技术方案：
[0007]一种基于秩损估计的二维DOA估计与互耦校正方法，该方法的具体内容如下：
[0008]步骤1：对天线阵列系统进行建模仿真，采用的均匀平面阵列如图2所示。考虑互耦信号模型中，每个阵元不仅会接收到来波信号的入射部分，也会接收到周围其他阵元的辐射信号，故而阵元实际接收到的信号实际上是入射波与耦合分量的叠加。故对理想条件下的阵列流型进行修正，得到阵列输出的响应模型；
[0009]步骤2：利用修正后的阵列输出响应获得阵列输出的协方差矩阵R
x
，并对其进行特征值分解得到噪声子空间E
noise
以及信号子空间E
sourse
。进而基于子空间理论来解决问题。
[0010]步骤3：实际中，阵元间的耦合强度也会随着阵元间距的增加而衰减，相距较远的阵元间的作用可以忽略。我们根据均匀平面阵的对称结构以及互易关系，通过对互耦矩阵C进行建模，表示出各阵元间的互耦作用；
[0011]步骤4：利用对K个俯仰角和方位角的参数变换可以得到一对映射关系以此实现数据的降维处理，再利用Toeplitz矩阵及Kronecker积的性质，实现阵元信息与互耦系数的独立，根据秩损估计准则构造两次谱峰搜索函数，通过两次一维谱峰搜索代替二维谱峰搜索，从而计算得到方位参数估计值
[0012]步骤5：利用映射关系恢复出相对应的方位参数估计值
[0013]步骤6：对互耦系数进行估计。根据得到的参数估计值构造一个解耦合矩阵T，并利用特征值分解法得到所有的耦合系数，以此重构出互耦矩阵的估计值进而可以据此进行互耦校正。
[0014]本专利技术的特征如下：
[0015](1)考虑均匀平面天线阵列中阵元间存在的互耦效应，对互耦矩阵进行建模，建立更符合实际应用中的信号模型。
[0016](2)利用参数映射的变换域关系将信源数据与互耦误差向量分离开，再利用秩损估计准则构造相应的谱峰搜索函数，实现二维方位参数的估计。
[0017](3)利用得到的估计参数，构造解耦合矩阵，实现对互耦矩阵的估计，进而据此进行互耦校正。
[0018]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0019]本专利技术提出了一种基于秩损估计的二维DOA估计与互耦校正方法。通过构造互耦误差矩阵构建均匀平面天线阵列在互耦误差下的信号接收模型；利用参数映射的变换域关系将信源数据与互耦误差向量分离开，再利用秩损估计准则构造相应的谱峰搜索函数，实现二维方位参数的估计；最后利用已经得到的估计方位参数，构造解耦合矩阵，实现对互耦矩阵的估计，进而据此可以进行互耦校正。用合适仿真对所提方法的估计结果进行验证。均方根误差对一组测量中的特大或特小误差反映非常敏感，所以，均方根误差能够很好地反映出测量的精密度。该方法与现行估计算法相比，本专利技术算法DOA估计结果均方根误差更小，估计成功率也更高，即表示本文所提方法效果更佳。
附图说明
[0020]图1为本专利技术所涉及方法的流程图；
[0021]图2为均匀平面天线阵列模型；
[0022]图3随信噪比变化时均方根误差变化曲线；
[0023]图4随信噪比变化时算法成功率变化曲线；
[0024]图5随快拍数变化时均方根误差变化曲线；
[0025]图6随快拍数变化时算法成功率误差变化曲线。
具体实施方式
[0026]下面结合附图和实施步骤对本专利技术做进一步说明。
[0027]基于秩损估计的二维DOA估计与互耦校正方法流程图如图1所示，包括以下步骤：
[0028]如图1所示为本专利技术流程图。
[0029]第一步：考虑在存在互耦误差的条件下，对均匀面阵模型进行研究，阵元个数为M
×
N，阵元间距分别为d
x
和d
y
；在某t时刻，考虑K个远场窄带信号以的角度入射到阵列上，表示第k个信号的方位角和俯仰角，则阵列的输出响应被表示为
[0030]x(t)＝CAs(t)+n(t)
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(1)
[0031]其中C代表互耦矩阵，表示理想的阵列响应矩阵，其中阵，其中s本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于秩损估计的二维DOA估计与互耦校正方法，其特征在于：(1)考虑均匀平面天线阵列中阵元间存在的互耦效应，对互耦矩阵进行建模，建立更符合实际应用中的信号模型；(2)利用参数映射的变换域关系将信源数据与互耦误差向量分离开，再利用秩损估计准则构造相应的谱峰搜索函数，实现二维方位参数的估计，得到更优的预测结果；(3)利用得到的估计参数，构造解耦合矩阵，实现对互耦矩阵的估计，进而据此进行互耦误差校正。2.权利要求1所述的方法，其特征在于包括以下步骤：第一步：考虑在存在互耦误差的条件下，对均匀面阵模型进行研究，阵元个数为M
×
N，阵元间距分别为d
x
和d
y
；在某t时刻，考虑K个远场窄带信号以的角度入射到阵列上，表示第k个信号的方位角和俯仰角，则阵列的输出响应被表示为x(t)＝CAs(t)+n(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中C代表互耦矩阵，表示理想的阵列响应矩阵，其中中s(t)表示源信号向量，n(t)为不相关的噪声矢量，其均值为零，方差为σ2；其中j表示复数的虚数单位，表示Kronecker积，λ表示信号的波长；第二步：对互耦矩阵C进行建模；由于均匀面阵看作由N个均匀线阵所构成，因此，不同的子阵之间也存在着互耦效应；根据均匀平面天线阵列的对称性和互易性质，互耦矩阵C表示为其中，为由耦合向量所构造的Toeplitz矩阵，表示与x轴平行放置的第n个均匀线阵的第m个阵元的耦合系数；考虑每个阵元与其四周的P个阵元产生互耦效应，得到耦合向量c
n
中的零元素表示远处的互耦作用忽略不计，则当n>P时，子矩阵C
n
为零矩阵；第三步：通过阵列的输出响应得出阵列输出的协方差矩阵响应为R
x
＝E{x(t)x
H
(t)}＝CAR
s
A
H
C
H
+σ2I
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中，R
s
＝E{s(t)s
H
(t)}为信源协方差矩阵，E{
·
}表示矩阵的期望运算，(
·
)
H
表示共轭转置运算，I表示MN
×
MN维的单位矩阵；对R
x
进行特征值分解则得到噪声子空间E
noise
和信号子空间E
sourse
；当在接收到L次快拍数采样的条件下，协方差矩阵通过
等效估计出来，同理得到相应的子空间的估计值和第四步：进行参数变换，借助变换域将二维DOA估计与互耦误差分离开来；定义则得到一对映射关系则其中则等效阵列导向矢量写为其中，a
yn
表示a...
【专利技术属性】
技术研发人员：窦慧晶，杨帆，肖子恒，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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