一种适用于任意平面传感器阵列的波达方向估计及定位方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于任意平面传感器阵列的波达方向估计及定位方法，特点在于使用传感器在传感器阵列中的位置坐标作为基本参数，以此来获取信号到达各个阵元的相位差，然后通过相位差估计信号源的方向。分别对超分辨算法(MUSIC)和压缩感知理论中的L1_SVD算法进行了适当的修改以实现对信号源方位的估计。然后通过以任意传感器为原点的阵列测量坐标系和建立的参考坐标系之间的转换来估计目标的实际位置。本发明专利技术所述的方法中仅需要移动端设备具有传感器阵列即可实现定位，且传感器阵列中的传感器可以任意放置，即使阵列中部分传感器失效依然能估计信号源的方向。与现有的波达方向估计和定位算法相比，本发明专利技术具有更好的估计性能和实用价值。计性能和实用价值。计性能和实用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于任意平面传感器阵列的波达方向估计及定位方法


[0001]本专利技术涉及空间谱分析领域，尤其是使用不规则的任意传感器阵列分析信号源的方位。本专利技术还涉及目标位置定位感知领域，尤其是在室内定位或声呐探测定位方面。此外本专利技术还涉及到通信领域的传感器阵列信号处理领域。具体地说是一种适用于任意平面传感器阵列的波达方向估计及定位方法。

技术介绍

[0002]基于位置信息的服务已经融入到现代社会的各行各业，定位的原理主要基于信号在空间传播的三种特性，即传播时间、传播方向以及功率衰减情况。基于传播时间的定位需要高精度的时钟同步，而基于信号功率衰减的定位需要采集大量的先验数据样本并及时更新，基于角度估计的定位技术需要设备具有传感器阵列，MIMO技术的应用可以大幅提高信息传输的质量和速率，也使得基于传感器阵列的波达方向估计成为现实。空间谱理论中的波达角估计是传感器阵列信号处理中的关键技术之一，这项技术主要是利用信号到达传感器阵列中每个传感器的时间差来判断信号源的角度。波达角估计在军事、雷达、声呐探测、地震分析等领域都有着重大的应用。
[0003]目前绝大多数实验或者仿真都是基于规则分布的传感器阵列，其中均匀线性传感器阵列由于结构简单被使用的频率最高。线性传感器阵列的阵元分布在一条直线上，间距通常为信号波长的一半，但估计范围一般为
‑
90
°
～90
°
，而且它无法象平面传感器阵列那样估计0
°
～360
°
的方位角。
[0004]平面传感器阵列虽然能估计0
°
～360
°
的方位角，但由于平面传感器阵列得到的接收数据在数学上不在具有线性传感器阵列类似的范德蒙结构，很多基于线性传感器阵列得到的计算方法平面传感器阵列中并不适用。
[0005]虽然现有的技术针对许多特殊形状的传感器阵列(如L形传感器阵列，均匀面阵等)开发出了许多特有的算法，但大多数估计算法都只能满足对应的某一种传感器阵列形状，且要求该传感器阵列形状在使用的过程中固定不变。当传感器阵列不满足特定设定形状时，算法也将失效。这限制了其在未来设备中的应用。如在蜂窝移动网络中的MIMO系统，用户的手指或其他物品可能会遮挡住传感器阵列的部分传感器，传感器阵列中的传感器也有一定的概率发生损坏。另外，考虑到终端设备内部器件的布局，很难将同一个形状的天线传感器阵列放入到所有的设备中。这些因素都会导致传感器阵列将会改变原来的形状，进而导致估计失效。
[0006]在定位方面，基于时间的定位技术需要至少三个信号源才能实现目标位置的确定，而且需要高精度的时间同步。基于功率变化的定位方式结果误差较大且容易受到环境参数影响。基于角度的定位方式通常只需要两个信号源就能实现定位。在未来定位技术中，这些技术很有可能被融合使用，如使用时间和波达角结合的定位方式仅需要一个信号源就能实现定位。现有的技术对基于任意传感器阵列的角度估计研究较少，绝大多数都在侧重于基于时间的信息的定位。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足之处，本专利技术的目的是提出一种适用于任意平面传感器阵列的波达方向估计及定位方法。在任意平面传感器阵列中建立阵列测量坐标系然后以传感器阵元在阵列测量坐标系中的坐标作为传感器阵列的基本参数，以此来获取信号到达各个传感器阵元相对参考阵元的相位差，通过相位差建立任意平面传感器阵列的阵列流型矩阵，由于该流型不具有范德蒙结构，在本专利技术中使用改进的MUSIC算法和L1_SVD算法来进行波达方向的解算。然后结合MIMO技术在未来无线通信中的广泛应用，提出一种基于任意平面传感器阵列波达方向估计的定位方法，该定位方法通过在真实环境中建立参考坐标系，利用信号源在参考坐标系与阵列测量坐标系中的坐标转换关系，判断具有传感器阵列的设备终端在参考坐标系中的位置坐标，实现定位目的。相对于现有的使用规则传感器阵列实现波达方向估计和定位的方法，本专利技术的成本更低，实用性更强，且解算得到的波达方向和定位结果更加精确。
[0008]本专利技术的目的是这样实现的：
[0009]一种适用于任意平面传感器阵列的波达方向估计及定位方法，具体包括下列步骤：
[0010]a步骤：根据实际应用场景需求设定任意传感器阵列的形状，在设定好的传感器阵列中，任意选取一个传感器作为该传感器阵列的参考阵元，并任意选取一个方向作为该传感器阵列的参考方向，然后以参考阵元为原点，并以参考方向为初始方向建立传感器阵列测量坐标系，将各个传感器在传感器阵列中的位置通过所建立的传感器阵列测量坐标系表示出来。设表示在该传感器阵列中第m个传感器阵元到所选取的参考传感器阵元的距离，表示在该传感器阵列中第m个传感器阵元与所选取参考方向之间的夹角，则第m个阵元的极坐标为(r
m
,α
m
)，其直角坐标形式表示为(r
m
cos(α
m
),r
m
sin(α
m
))，传感器阵列中所有传感器的位置坐标即构成传感器阵列的参数矩阵；
[0011]b步骤：计算信号源发出的信号波到达各个传感器阵元的距离相对到达参考传感器阵元的距离之差；设在传感器阵列的方向有一个信号波到达该传感器阵列，则信号波到达第m个传感器阵元的距离相对到达参考传感器阵元的距离之差用s
m
表示如公式(1)所示：
[0012]s
m
＝(r
m
cos(α
m
)cos(θ)+r
m
sin(α
m
)sin(θ)))＝r
m
cos(α
m
‑
θ)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0013]这里s
m
是通过向量投影方法或几何分析的方法得到的，其中，基于向量投影的方法即通过第m个阵元在基于传感器阵列所建立坐标系中的坐标向量与信号传播方向上的单位向量进行内积运算得到。
[0014]c步骤：根据公式(1)结合信号在介质中传播的速度，即可得到所述任意传感器阵列中各个传感器阵元接收到该信号波相对参考传感器阵元接收到该信号波的相位差为：这里j表示虚数单位，λ
k
,θ
k
分别表示第k个信号波的波长和信号源方向；设共有M个阵元的传感器阵列同时接收到K个信号波，即：m＝(1,2,
…
,M)，k＝(1,2,
…
,K)，则所有的相位差信息如阵列流型矩阵(2)所示，该矩阵即为传感器阵列的流型矩阵；所述传感器包括电磁波传感器、超声波传感器。
[0015][0016]d步骤：由于阵列流型矩阵(2)不具备范德蒙结构，根据实际设备的计算性能，选取改进的超分辨类(MUSIC)算法或改进的L1_SVD算法来解算信号源的方向；
[0017]改进的MUSIC算法的基本流程如下：
[0018]实际应用中，信号的波达方向估计经过多次采本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于任意平面传感器阵列的波达方向估计及定位方法，其特征在于，该方法具体包括下列步骤：步骤a：根据实际应用场景需求设定任意传感器阵列的形状，在设定好的传感器阵列中，任意选取一个传感器作为该传感器阵列的参考阵元，并任意选取一个方向作为该传感器阵列的参考方向，然后以参考阵元为原点，并以参考方向为初始方向建立传感器阵列测量坐标系，将各个传感器在传感器阵列中的位置通过所建立的传感器阵列测量坐标系表示出来；设r
m
表示在该传感器阵列中第m个传感器阵元到所选取的参考传感器阵元的距离，α
m
表示在该传感器阵列中第m个传感器阵元与所选取参考方向之间的夹角，则第m个阵元的极坐标为(r
m
，α
m
)，其直角坐标形式表示为(r
m
cos(α
m
)，r
m
sin(α
m
))，传感器阵列中所有传感器的位置坐标即构成传感器阵列的参数矩阵；步骤b：计算信号源发出的信号波到达各个传感器阵元的距离相对到达参考传感器阵元的距离之差；设在传感器阵列的θ方向有一个信号波到达该传感器阵列，则信号波到达第m个传感器阵元的距离相对到达参考传感器阵元的距离之差用s
m
表示如公式(1)所示：s
m
＝(r
m
cos(α
m
)cos(θ)+r
m
sin(α
m
)sin(θ)))＝r
m
cos(α
m
‑
θ) (1)步骤c：根据公式(1)结合信号在介质中传播的速度c，即可得到所述任意传感器阵列中各个传感器阵元接收到该信号波相对参考传感器阵元接收到该信号波的相位差为：这里j表示虚数单位，λ
k
，θ
k
分别表示第k个信号波的波长和信号源方向；设共有M个阵元的传感器阵列同时接收到K个信号波，即：m＝(1，2，...，M)，k＝(1，2，...，K)，则所有的相位差信息如阵列流型矩阵(2)所示：步骤d：根据实际设备的计算性能，选取改进的超分辨类算法MUSIC或改进的L1_SVD算法来解算信号源的方向；步骤e：基于真实环境建立参考坐标系，利用信号源在参考坐标系中的位置坐标和步骤d中估计得到的信号源方向，并结合参考坐标系与所述阵列测量坐标系之间的转换关系，求解传感器阵列的参考阵元在参考坐标系中的坐标，该坐标即为装备了所述传感器阵列的目标设备在真实环境中的位置；步骤f：装备有所述传感器阵列的目标设备与实际定位环境中的任意两个信号源联合即能解算出该目标设备在参考坐标系中的一个位置坐标；设实际的定位环境中共有K个信号源，则一共能计算得到有个包含误差的目标位置坐标，将这个位置坐标连接起来构一个多边几何图形，目标设备的最终位置坐标即为该几何图形的重心坐标，重心坐标通过对这个位置坐标的x坐标和y坐标分别求平均值获得。2.根据权利要求1所述一种适用于任意平面传感器阵列的波达方向估计及定位方法，其特征在于，所述公式(1)中的距离差s
m
是通过向量投影方法或几何分析的方法得到的，其中，基于向量投影的方法即通过第m个阵元在基于传感器阵列所建立坐标系中的坐标向量与信号传播方向上的单位向量进行内积
运算得到。3.根据权利要求1所述一种适用于任意平面传感器阵列的波达方向估计及定位方法，其特征在于，所述传感器包括电磁波传感器和超声波传感器。4.根据权利要求1所述一种适用于任意平面传感器阵列的波达方向估计及定位方法，其特征在于，所述改进的超分辨类算法MUSIC具体为：信号的波达方向估计经过多次采样实现，采样的次数称为快拍数；设传感器阵列第t次采样得到的数据为y(t)，则快拍数为T次采样数据构成矩阵Y
MUSIC
＝[y(1)，y(2)，...，y(T)]，通过计算矩阵Y
MUSIC
的协方差Y
MUSIC
Y
MUSICH
的均值得到理论值的最大似然估计矩阵如公式(3)所示：其中，E表示求平均运算，H表示矩阵的共轭转置，A
MUSIC
即为阵列流型矩阵(2)所述的阵列流型矩阵，为信号协方差矩阵，σ2I表示噪声部分，对得到的矩阵进行特征分解得到公式(4)：其中，的特征值由信号特征值和噪声特征值构成，由于信噪比的存在，信号特征值必然会大于噪声特征值，且噪声特征值的大小基本相似，根据此特点将特征值分为两部分，为数值较大特征值部分，其与对应的特征向量共同构成信号子空间，而表示另一部分数值较小且大小相似的特征值，其与对应的特征向量共同构成噪声部分，由于信号部分所形成的子空间和阵列流型矩阵A
MUSIC
的列向量形成的子空间是对应的，用表示阵列流型矩阵A
MUSIC
的第k列，其中，(ω
k
，θ
k
)分别表示第k个信号的角频率和波达方向；利用噪声特征向量和信号特征值之间的正交性构建谱公式：通过将(0
°
～360
°
)的θ
k
带入公式(5)进行扫描，使得P
MUSIC
值最大的θ
k
即为波达方向的估计值。5.根据权利要求1所述一种适用于任意平面传感器阵列的波达方向估计及定位方法，其特征在于，所述改进后的L1_SVD算法具体为：将传感器阵列测量坐标系中(0
°
～360
°
)的方向均匀划分为N等分，得到方向向量[θ1，θ2，
…
，θ
N
]，则该向量包含了信号波在传感器阵列所在平面的所有入射方向，且每一个θ都是一个潜在的波达方向，显然N的数值越大，结果也就越精确；将方向向量中的每一...

【专利技术属性】
技术研发人员：王友情，郑正奇，赵昆，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：