一种近场信号源的定位方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种近场信号源的定位方法及系统，所述方法包括以下步骤：步骤1，获取近场信号源阵列协方差矩阵估计值利用其反对角元素构建虚拟远场信号协方差矩阵；步骤2，基于所述虚拟远场信号协方差矩阵，利用基于最优子空间拟合的稀疏重构算法获得信号波达方向的估计值步骤3，将波达方向估计值代入近场源信号阵列协方差矩阵之中，再利用基于特征值分解的稀疏重构算法获得信号入射距离的估计值完成定位。本发明专利技术具体提供了一种计算有效的近场信号源的定位方法，其在计算量复杂度较低的同时可取得不错的估计性能。杂度较低的同时可取得不错的估计性能。杂度较低的同时可取得不错的估计性能。

【技术实现步骤摘要】
一种近场信号源的定位方法及系统


[0001]本专利技术属于阵列信号处理
，具体涉及一种近场信号源的定位方法及系统。

技术介绍

[0002]在阵列信号处理领域中，信号源定位技术是重要研究内容之一，其在通信、雷达、通信等领域发挥着诸多作用。
[0003]现有信源定位技术大多致力于远场信号源定位，然而随着声源定位和水下雷达领域的技术需求不断提高，近场信号源定位技术在不断发展，其要进行波达方向与距离两个参数的联合估计。国内外学者提出了许多相关算法，比如基于最大似然的估计算法，推广后的二维MUSIC算法，基于高阶统计量的估计算法等。然而，现有这些算法尚存在一些缺陷和不足：一些算法的计算复杂度较高，一些算法的估计性能受快拍数和信噪比影响较大，还有一些算法的估计性能较差。
[0004]综上，亟需一种新的近场信号源的定位方法及系统。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种近场信号源的定位方法及系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本专利技术具体提供了一种计算有效的近场信号源的定位方法，其在计算量复杂度较低的同时可取得不错的估计性能。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]本专利技术的一种近场信号源的定位方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，获取近场信号源阵列协方差矩阵估计值利用其反对角元素构建虚拟远场信号协方差矩阵；
[0009]步骤2，基于所述虚拟远场信号协方差矩阵，利用基于最优子空间拟合的稀疏重构算法获得信号波达方向的估计值
[0010]步骤3，将波达方向估计值代入近场源信号阵列协方差矩阵之中，再利用基于特征值分解的稀疏重构算法获得信号入射距离的估计值完成定位。
[0011]本专利技术的进一步改进在于，步骤1具体包括：
[0012]阵列协方差矩阵估计值的表达式为，
[0013][0014]其中，L表示快拍数，x(t
l
)表示阵列的接收数据，(
·
)
H
表示矩阵共轭转置；
[0015]该矩阵中的第i行，第j列的元素为r
(i,j)
，则令i＝
‑
j＝a，反对角元素可以表示为，
[0016][0017]其中仅包含了信号的波达方向信息；
[0018]利用反对角元素构建Toeplitz矩阵，获得虚拟远场信号协方差矩阵，表达式为，
[0019][0020]本专利技术的进一步改进在于，步骤2具体包括：
[0021]信号子空间U
S
与阵列流形A所张成的空间是同一个空间，存在U
S
＝AB，B为一个列满秩的矩阵；
[0022]引入最优加权矩阵其中为信号子空间的估计值，σ2为噪声子空间所对应特征值的平均值，I表示单位矩阵，(
·
)
‑1表示矩阵的逆，则有，
[0023]U
S
W
opt
＝ABW
opt
＝AP
[0024]引入波达方向相关的过完备基矩阵对波达方向存在范围根据精度进行N
θ
个点的分割，表达式为，
[0025][0026]其中，为方向向量，则式子变为，
[0027][0028]矩阵与P对应真实波达方向行相同，其余行皆为0，恢复获得波达方向估计值，所要解决优化问题如下：
[0029][0030]在二阶锥编程框架下解决优化问题，获得信号波达方向的估计值
[0031]本专利技术的进一步改进在于，步骤3具体包括：
[0032]将步骤2所得信号波达方向的估计值代入阵列协方差矩阵估计值之中；
[0033]引入一个距离相关的过完备基矩阵在波达方向估计值代入后再对距离存在范围按照所需精度进行N
r
点划分，表达式为，
[0034][0035]对阵列接收信号进行特征值分解，
[0036]X＝ULV
′ꢀ
X
SV
＝ULD
K
[0037]式中D
K
＝[I
K
，0]T
，I
K
是一个K
×
K维的单位矩阵，0是一个K
×
(L
‑
K)维的零矩阵，S
SV
＝SVD
K
，N
SV
＝NVD
K
；
[0038]X＝AS+N变为，
[0039]X
SV
＝AS
SV
+N
SV
[0040]通过恢复来获得信号距离的估计值，要解决的优化问题有，
[0041][0042]在二阶锥编程框架下解决优化问题，获得信号距离的估计值
[0043]本专利技术的一种近场信号源的定位系统，包括：
[0044]获取模块，用于获取近场信号源阵列协方差矩阵估计值利用其反对角元素构建虚拟远场信号协方差矩阵；
[0045]第一估计值获取模块，用于基于所述虚拟远场信号协方差矩阵，利用基于最优子空间拟合的稀疏重构算法获得信号波达方向的估计值
[0046]第二估计值获取模块，用于将波达方向估计值代入近场源信号阵列协方差矩阵之中，再利用基于特征值分解的稀疏重构算法获得信号入射距离的估计值完成定位。
[0047]本专利技术的进一步改进在于，所述获取模块中，获取近场信号源阵列协方差矩阵估计值利用其反对角元素构建虚拟远场信号协方差矩阵的步骤具体包括：
[0048]阵列协方差矩阵估计值的表达式为，
[0049][0050]其中，L表示快拍数，x(t
l
)表示阵列的接收数据，(
·
)
H
表示矩阵共轭转置；
[0051]该矩阵中的第i行，第j列的元素为r
(i，j)
，则令i＝
‑
j＝a，反对角元素可以表示为，
[0052][0053]其中仅包含了信号的波达方向信息；
[0054]利用反对角元素构建Toeplitz矩阵，获得虚拟远场信号协方差矩阵，表达式为，
[0055][0056]本专利技术的进一步改进在于，所述第一估计值获取模块中，基于所述虚拟远场信号
协方差矩阵，利用基于最优子空间拟合的稀疏重构算法获得信号波达方向的估计值的步骤具体包括：
[0057]信号子空间U
S
与阵列流形A所张成的空间是同一个空间，存在U
S
＝AB，B为一个列满秩的矩阵；
[0058]引入最优加权矩阵其中为信号子空间的估计值，σ2为噪声子空间所对应特征值的平均值，I表示单位矩阵，(
·
)
‑1表示矩阵的逆，则有，
[0059]U
S
W
opt
＝ABW
opt
＝AP
[006本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种近场信号源的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，获取近场信号源阵列协方差矩阵估计值利用其反对角元素构建虚拟远场信号协方差矩阵；步骤2，基于所述虚拟远场信号协方差矩阵，利用基于最优子空间拟合的稀疏重构算法获得信号波达方向的估计值步骤3，将波达方向估计值代入近场源信号阵列协方差矩阵之中，再利用基于特征值分解的稀疏重构算法获得信号入射距离的估计值完成定位。2.根据权利要求1所述的一种近场信号源的定位方法，其特征在于，步骤1具体包括：阵列协方差矩阵估计值的表达式为，其中，L表示快拍数，x(t
l
)表示阵列的接收数据，(
·
)
H
表示矩阵共轭转置；该矩阵中的第i行，第j列的元素为r
(i，j)
，则令i＝
‑
j＝a，反对角元素可以表示为，其中仅包含了信号的波达方向信息；利用反对角元素构建Toeplitz矩阵，获得虚拟远场信号协方差矩阵，表达式为，3.根据权利要求2所述的一种近场信号源的定位方法，其特征在于，步骤2具体包括：信号子空间U
S
与阵列流形A所张成的空间是同一个空间，存在U
S
＝AB，B为一个列满秩的矩阵；引入最优加权矩阵其中为信号子空间的估计值，σ2为噪声子空间所对应特征值的平均值，I表示单位矩阵，(
·
)
‑1表示矩阵的逆，则有，U
S
W
opt
＝ABW
opt
＝AP引入波达方向相关的过完备基矩阵对波达方向存在范围根据精度进行N
θ
个点的分割，表达式为，其中，为方向向量，则式子变为，矩阵与P对应真实波达方向行相同，其余行皆为0，恢复获得波达方向估计值，所要解
决优化问题如下：在二阶锥编程框架下解决优化问题，获得信号波达方向的估计值4.根据权利要求3所述的一种近场信号源的定位方法，其特征在于，步骤3具体包括：将步骤2所得信号波达方向的估计值代入阵列协方差矩阵估计值之中；引入一个距离相关的过完备基矩阵在波达方向估计值代入后再对距离存在范围按照所需精度进行N
r
点划分，表达式为，对阵列接收信号进行特征值分解，X＝ULV
′ꢀ
X
SV
＝ULD
K
式中D
K
＝[I
K
，0]
T
，I
K
是一个K
×
K维的单位矩阵，0是一个K
×
(L
‑
K)维的零矩阵，S
SV
＝SVD
K
，N
SV
＝NVD
K
；X＝AS+N变为，X
SV
＝AS
SV
+N
SV
通过恢复来获得信号距离的估计值，要解决的优化问题有，在二阶锥编程框架下解决优化问题，获得信号距离的估计值5.一种近场信号源的定位系统，其特征在于，包括：获取模块，用于获取近场信号源阵列协方差矩阵估计值利用其反对角元素构建虚拟远场信号协方差矩阵；第一估计值获取模块，用于基于所述虚拟远场信号协方差矩阵，利用基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：左炜亮，童应楠，辛景民，郑南宁，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：