增广互质阵列脉冲噪声环境下相干信源的DOA估计方法技术

本发明专利技术公开了一种增广互质阵列高脉冲环境下相干信源的波达方向估计方法，使用增广互质阵列天线接收信号，得到量测信息；根据量测信息，计算相应的分数低阶矩估计矩阵和相位分数低阶矩估计协方差矩阵；对所得到的估计协方差矩阵进行向量化处理，删除冗余行并截取连续阵元部分，得到阵元间距为λ/2的虚拟均匀线阵接收信号信息；对虚拟接收信号信息进行Toeplitz矩阵重构，得到了重构后的协方差矩阵；用SIC DOA估计算法计算重后的协方差矩阵DOA的精确估计。本发明专利技术将FLOM，PFLOM估计矩阵与脉冲噪声环境下的互质阵列相干信源DOA估计问题相结合，脉冲噪声低信噪比环境下，本发明专利技术能够获得更好的DOA估计性能。能够获得更好的DOA估计性能。能够获得更好的DOA估计性能。

【技术实现步骤摘要】
增广互质阵列脉冲噪声环境下相干信源的DOA估计方法


[0001]本专利技术属于波达方向(direction of arrival,DOA)估计，空中监视，雷达声呐定位等


技术介绍

[0002]传统的DOA估计方法，如MUSIC和ESPRIT，使用N个阵元估计最多N
‑
1个信源，空间自由度较小。同时，为了避免角度模糊问题，传统阵列间距通常需要小于接收信号波长的一半，即d＜λ/2。但阵元距离过近会带来很强的互耦合效应，从而降低估计精度。因此，此类阵列的优化设计和性能分析一般都不容易。
[0003]为了解决上述问题，最近，利用两个平行均匀线阵，且阵元数互质，第一阵元重叠的平行均匀线阵组合得到的增广互质阵列得到了关注，如果两个均匀线阵的阵元个数分别为2M和N，其中M和N互质，则2M+N
‑
1阵元的增广互质阵列可以获得2M(N+1)
‑
1的虚拟线阵连续自由度(degree of freedom,DOF)，而阵元个数相同的均匀线阵(uniform linear array,ULA)只能获得2M+N的DOF。因此，增广互质阵列结构大大提高了阵列可探测源的数量。该阵列结构突破了传统天线阵阵元间距半波长的限制，使得天线孔径得到极大的扩展，能够获得角度估计性能的提升。同时，子阵单元间的间距为Mλ/2和Nλ/2，远大于半波长，有效地减弱了单元间的相互耦合效应。
[0004]此外，互质阵列中的大多数DOA估计方法均假设环境噪声为高斯分布。然而，实际中的噪声往往表现出非高斯特性，有时还伴有较强的脉冲。例如，汽车点火装置、微波炉和其他类型的自然或人为信号源可能会表现出高脉冲特性。近来，研究表明α稳定分布是一个合适的噪声模型来描述这种类型的噪声，它可以用S(α,β,γ,θ)表示，包括一系列分布，如高斯分布，柯西分布，莱维分布。参数的定义如下：α∈(0,2]是决定分布形状的特征指数；β∈[
‑
1,1]是对称参数，指定分布是否为右偏β＞0或左偏β＜0；γ∈(0,+∞)是分散参数，类似于正态分布中的方差；δ∈R是位置参数作为正态分布的均值。通常选择β＝δ＝0来生成对称α稳定(SαS)过程。如果特征指数α＝2，稳定过程S(α,β,γ,θ)将是一个高斯过程，如果α＝1则是一个柯西过程。当选择不同的特征指数参数时，可以认为它是代表各种脉冲噪声的最大电位分布。
[0005]另外，由于传播环境的复杂性，入射到阵列的信号中是有相干信号源存在的。由于信号阵列会接收到不同方向上的相干信号，而相干信号会导致信源协方差矩阵的秩亏缺，从而使得信号特征向量发散到噪声子空间去。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：为了解决现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种增广互质阵列脉冲噪声环境下相干信源的DOA估计方法。
[0007]技术方案：本专利技术提供了一种增广互质阵列脉冲噪声环境下相干信源的DOA估计方法，包括如下步骤：
[0008]S1：使用增广互质阵列结构的阵列天线接收信号，得到量测信息Z；
[0009]S2：根据所述量测信息，计算分数低阶矩估计协方差矩阵R
FLOM
和相位分数低阶矩估计协方差矩阵R
PFLOM
；
[0010]S3：将R
FLOM
和R
PFLOM
分别进行向量化处理，并去掉获得的向量中的冗余行，得到虚拟阵列接收信号和
[0011]S4：对对应的虚拟阵列中连续的均匀的线阵部分进行截取，从而得到阵元间距为半波长的虚拟均匀线阵的接收信号信息对对应的虚拟阵列中连续的均匀的线阵部分进行截取，从而得到阵元间距为半波长的虚拟均匀线阵的接收信号信息
[0012]S5：对进行T矩阵重构，得到重构后的协方差矩阵对进行T矩阵重构，得到重构后的协方差矩阵
[0013]S6：采用MUSIC DOA估计算法计算和的DOA的精确估计：对和分别进行特征分解，通过MUSIC谱峰搜索分别找出和峰值，从而得到和的DOA的精确估计。
[0014]进一步的：所述S1中增广互质阵列结构的阵列天线包括阵元数为2M的子阵1和阵元数为N的子阵2；子阵1的阵元间距为Nλ/2，子阵2的阵元间距为Mλ/2；M和N为互质数，且M＜N，λ为载波波长；所述子阵1和子阵2只在原点处有一个阵元重合。
[0015]进一步的：所述S5中基于如下公式进行T矩阵重构：
[0016]或
[0017]其中，S＝M(N+1)
‑
1，z
w
(S
‑
1)表示矩阵z
w
中阵元位置为S
‑
1的阵元对应的元素。
[0018]进一步的：虚拟阵列接收信号为：
[0019][0020]其中其中，表示Kronecker积，*表示共轭，θ
k
为第k个窄带信号的DOA，k＝1，2，
…
K,其中K为窄带信号的总个数，a(θ
k
)为θ
k
方向上的方向向量，b
FLOM
表示R
FLOM
的信号能量，Υ
FLOM
表示R
FLOM
的脉冲噪声项拉伸后的向量；
[0021]所述虚拟阵列接收信号为：
[0022][0023]其中b
PFLOM
为相位分数低阶矩估计协方差矩阵R
PFLOM
的信号能量，Υ
PFLOM
表示R
PFLOM
的脉冲噪声项拉伸后的向量。
[0024]进一步的：所述S4中和分别为：
[0025][0026][0027]其中为连续虚拟阵列的方向矩阵，Υ
FLOM
‑
new
为对应的虚拟阵列中被截取的阵元对应的元素组成的脉冲噪声向量，Υ
FLOM
‑
new
为对应的虚拟阵列中被截取的阵元对应的元素组成的脉冲噪声向量。
[0028]有益效果：互质阵列的虚拟化方法得到的是单快拍量测信息，这就相当于混合了信号的信息，需要解相干过程。然后信号本身又是相干信源，现有技术是先对信号协方差矩阵解相干之后再进行虚拟化方法，得到阵元间距为半波长的虚拟均匀线阵的接收信号信息后又需要解相干。而本专利技术方法只需进行一次Toeplitz矩阵重构即可。而且在高脉冲环境(如α＝0.6)下，与现有技术相比，本专利技术方法在低信噪比下具有更好的DOA估计性能。
附图说明
[0029]图1是本专利技术的增广互质阵列结构示意图；
[0030]图2是本专利技术增广互质线阵虚拟阵列结构示意图；
[0031]图3是当快拍数为600时，采用本专利技术方法与其他算法在不用阵元数目条件的计算复杂度示意图；
[0032]图4是当9个信源(2个相干信源)入射到增广互质阵列，采用本专利技术方法在脉冲噪声环境下特征指数α＝1.2时的单次MC实验DOA本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.增广互质阵列脉冲噪声环境下相干信源的DOA估计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：使用增广互质阵列结构的阵列天线接收信号，得到量测信息Z；S2：根据所述量测信息，计算分数低阶矩估计协方差矩阵R
FLOM
和相位分数低阶矩估计协方差矩阵R
PFLOM
；S3：将R
FLOM
和R
PFLOM
分别进行向量化处理，并去掉获得的向量中的冗余行，得到虚拟阵列接收信号和S4：对对应的虚拟阵列中连续的均匀的线阵部分进行截取，从而得到阵元间距为半波长的虚拟均匀线阵的接收信号信息对对应的虚拟阵列中连续的均匀的线阵部分进行截取，从而得到阵元间距为半波长的虚拟均匀线阵的接收信号信息S5：对进行T矩阵重构，得到重构后的协方差矩阵对进行T矩阵重构，得到重构后的协方差矩阵S6：采用MUSIC DOA估计算法计算和的DOA的精确估计：对和分别进行特征分解，通过MUSIC谱峰搜索分别找出和峰值，从而得到和的DOA的精确估计。2.根据权利要求1所述的增广互质阵列脉冲噪声环境下相干信源的DOA估计方法，其特征在于：所述S1中增广互质阵列结构的阵列天线包括阵元数为2M的子阵1和阵元数为N的子阵2；子阵1的阵元间距为Nλ/2，子阵2的阵元间距为Mλ/2，M和N为互质数，且M＜N，λ为载波波长；所述子阵1和子阵2只在原点处有一个阵元重合。3.根据权利要求2所述的增广互质阵列脉冲噪声环境下相干信源的DOA估计方法，其特征在于：所述S5中基于如下公式进行T矩阵重构：其中，S＝M(N+1)
‑
1，z
w
(S

【专利技术属性】
技术研发人员：董续东，张小飞，孙萌，赵君，汪云飞，钱洋，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：