虚拟阵列波达方向估计方法、装置、产品及存储介质制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种虚拟阵列波达方向估计方法、装置、产品及存储介质，利用匹配滤波滤除带外噪声，提高M元实阵列接收信号的信噪比；基于滤波后接收信号的一阶统计特性，利用线性预测思想实现N元前向与后向的虚拟位置阵元信号的有效估计；在一阶线性预测虚拟阵元信号的基础上，对其二阶协方差矩阵求拓普利兹平均，根据阵元间相位差与波程差一一对应的关系，进一步拓展虚拟阵列孔径；使用波束扫描方法对空间非相干源信号进行方位估计。本发明专利技术无需增加额外的物理阵元即可实现阵列孔径在虚拟意义上的拓展，提高了目标分辨能力；本发明专利技术具有很强的干扰抑制能力，能够应用在低信噪比与低快拍数等非理想工作环境，具有很强的实用性和广泛应用的适应性。应用的适应性。应用的适应性。

【技术实现步骤摘要】
虚拟阵列波达方向估计方法、装置、产品及存储介质


[0001]本专利技术涉及阵列信号处理领域，特别是一种虚拟阵列波达方向估计方法、装置、产品及存储介质。

技术介绍

[0002]阵列信号处理是信号处理领域的一个重要分支，与单个传感器相比，基于多个传感器的阵列空间信号处理技术具有灵活的波束控制、高信号增益、强干扰抑制能力以及高空间分辨能力等优点，具有重要的军事和民事应用价值，已经广泛应用于各个领域，并得到了充足发展。波达方向(Direction of Arrival，DOA)估计是阵列信号处理的一项重要研究内容，涉及雷达、声纳、通信、地震勘探、射电天文以及医学诊断等多种国民经济和军事应用领域。
[0003]随着现代信息技术的进步，信号处理环境日益复杂，传统的DOA估计方法面临目标分辨力弱、估计精度低等缺点，迫切需要发展分辨能力强、估计精度高的高分辨DOA估计技术。受到瑞利限判据的影响，当入射信号频率一定时，阵列的目标空间分辨力与阵列孔径成正相关。通常可通过增加构成阵列的阵元数目或者扩展阵元间的间距等方法，拓展阵列孔径，从而达到提高目标分辨力的目的。然而，在实际的应用场景中，增加阵元数目意味着增加硬件成本和系统设计的复杂度；拓展阵元间距将会导致栅瓣的出现，在探测结果中引入“假目标”。因此，受到阵列布放成本和空间的制约，阵列的阵元数目和间距不可能无限制地增加。而虚拟阵列拓展技术，可在原始阵列的基础上，不通过增加物理阵元，而在虚拟的意义上，通过特定的矩阵变换，获得与增加物理阵元等效的拓展后阵列孔径，从而实现高分辨的DOA估计，同时，增加阵列的自由度、抑制背景噪声，提高目标分辨精度。
[0004]针对阵列信号处理的DOA估计方法，国内外学者做了大量的研究，主要有以最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)波束成形器为典型应用的波束扫描类方法和以多重信号分类算法(Multiple signal classification,MUSIC)为代表的子空间类算法。其中，MVDR算法虽然较常规CBF算法具有更高的目标分辨力，但仍受到瑞利限的制约，无法分辨一个波束宽度内的两个目标；子空间类算法虽然突破了瑞利限的极限，然而，在低信噪比、少快拍数条件下，信号子空间与噪声子空间相互渗透，子空间类算法的空间分辨性能将受到较大影响而降低。
[0005]目前，常用的虚拟阵列拓展方法主要集中于利用阵列接收数据的一阶/二阶或者高阶统计量进行等效的虚拟孔径拓展，未能充分利用原始接收数据的有效信息，拓展的等效阵列孔径有限。其中，基于高阶累积量的阵列拓展方法虽然包含了一阶和二阶统计量没有的大量丰富信息，但是该算法带来的计算复杂性限制了其在实时性要求高的场景中的应用。现有基于实阵列的波达方向估计方法受到成本和布放空间的限制，无法大幅度地增加阵元数和阵列孔径，无法避免地面临高空间目标分辨需求与有限阵列孔径之间的矛盾。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种虚拟阵列波达方向估计方法、装置、产品及存储介质，解决现有DOA估计方法空间分辨力不足，以及现有虚拟阵列等效孔径拓展对原始阵列接收数据信息利用不足、计算复杂、空间谱旁瓣高的问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种虚拟阵列波达方向估计方法，包括以下步骤：
[0008]S1、对M个阵元的均匀线阵的原始接收信号进行匹配滤波；
[0009]S2、对匹配滤波后的信号进行基于一阶统计量的N元前向线性预测和后向线性预测，获得M+2N个虚拟阵元的输出信号；
[0010]S3、获取所述M+2N个虚拟阵元的输出信号的二阶统计特性，进行拓普利兹平均，获得2M+4N
‑
1个虚拟阵元的输出信号；
[0011]S4、对2M+4N
‑
1个虚拟阵列的输出信号进行空间谱计算，空间谱峰值对应的角度即为估计所得的目标角度结果。
[0012]本专利技术中，对于均匀布阵的线阵列，首先，利用匹配滤波滤除带外噪声，提高M元实阵列接收信号的信噪比；然后，基于滤波后接收信号的一阶统计特性，利用线性预测思想实现N元前向与后向的虚拟位置阵元信号的有效估计；进一步地，在一阶线性预测虚拟阵元信号的基础上，对其二阶协方差矩阵求拓普利兹平均，根据阵元间相位差与波程差一一对应的关系，进一步拓展虚拟阵列孔径；最后，使用波束扫描方法对空间非相干源信号进行方位估计。
[0013]本专利技术在利用阵列接收数据一阶线性预测结果进行阵列孔径拓展的基础上，进一步根据其二阶协方差矩阵进行拓普利兹平均，该方法无需增加额外的物理阵元即可获得更大的阵列孔径拓展效果，能够提高目标的空间分辨能力，同时获得更低的旁瓣，并且，该方法计算量小，具有良好的实时性。本专利技术具有很强的干扰抑制能力，能够应用在低信噪比与低快拍数等非理想工作环境，具有很强的实用性和广泛应用的适应性.
[0014]步骤S1的具体实现过程包括：使用发射信号s(n)作为拷贝信号，对接收的实信号进行匹配滤波处理，则阵列匹配滤波后输出的信号x
l
(n)表达式为：其中，*表示卷积运算，sT为发射信号脉宽，[]H
表示取共轭，l＝1，2，3，
…
，M。通过匹配滤波的算法，滤除带外噪声，提高了接收信号的信噪比。
[0015]步骤S2中，获得M+2N个虚拟阵元的输出信号的具体实现过程包括：前向预测实现过程：
[0016]使用实阵列(即匹配滤波后的信号)的第1号阵元x1作为参考阵元第2～P+1号阵元信号作为线性预测的P阶观测值：[]T
表示取转置；
[0017]根据维纳
‑
霍夫方程，计算前向预测系数α：其中，
[0018][0018]为P阶观测值x
F
的自相关矩阵，R
ij
表示P阶观测值的第i号阵元与第j号阵元的相关矩阵；为前向预测中参考阵元与前向预测所使用P阶观测值x
F
的互相关向量，表示前向预测中参考阵元与前向预测所使用的第i号阵元的互相关矩阵；i＝1，2，
……
，P；j＝1,2，
……
P；
[0019]对前向第n个虚拟阵元位置的接收信号进行估计时，所需要的P阶观测值x
F
更新为：x
M+n
‑
P ... x
M+n
‑1为第M+n
‑
P～M+n
‑
1号阵元信号；
[0020]根据前向预测系数α与更新后的P阶观测值计算得到前向第n个虚拟阵元位置的接收信号：x
M+n
＝x
F
α；
[0021]后向预测实现过程：
[0022]使用实阵列的第M号阵元作为参考阵元第M
‑
P+1～M号阵元信号作为线性预测的P阶观测值：
[0023]根据维纳
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种虚拟阵列波达方向估计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对M个阵元的均匀线阵的原始接收信号进行匹配滤波；S2、对匹配滤波后的信号进行基于一阶统计量的N元前向线性预测和后向线性预测，获得M+2N个虚拟阵元的输出信号；S3、获取所述M+2N个虚拟阵元的输出信号的二阶统计特性，进行拓普利兹平均，获得2M+4N
‑
1个虚拟阵元的输出信号；S4、对2M+4N
‑
1个虚拟阵列的输出信号进行空间谱计算，空间谱峰值对应的角度即为估计所得的目标角度结果。2.根据权利要求1所述的虚拟阵列波达方向估计方法，其特征在于，步骤S1的具体实现过程包括：使用发射信号s(n)作为拷贝信号，对接收的实信号进行匹配滤波处理，则阵列匹配滤波后输出的信号x
l
(n)表达式为：其中，*表示卷积运算，sT为发射信号脉宽，[]
H
表示取共轭，l＝1，2，3，
…
，M，n为发射信号的离散采样时刻。3.根据权利要求1所述的虚拟阵列波达方向估计方法，其特征在于，步骤S2中，获得M+2N个虚拟阵元的输出信号的具体实现过程包括：前向预测实现过程：使用实阵列的第1号阵元x1作为参考阵元第2～P+1号阵元信号作为线性预测的P阶观测值：[]
T
表示取转置；根据维纳
‑
霍夫方程，计算前向预测系数α：其中，其中，为P阶观测值x
F
的自相关矩阵，R
ij
表示P阶观测值的第i号阵元与第j号阵元的相关矩阵；为前向预测中参考阵元与前向预测所使用P阶观测值x
F
的互相关向量，表示前向预测中参考阵元与前向预测所使用的第i号阵元的互相关矩阵；i＝1，2，
……
，P；j＝1,2，
……
P；对前向第n个虚拟阵元位置的接收信号进行估计时，所需要的P阶观测值x
F
更新为：x
M+n
‑
P
ꢀ…ꢀ
x
M+n
‑1为第M+n
‑
P～M+n
‑
1号阵元信号；根据前向预测系数α与更新后的P阶观测值计算得到前向第n个虚拟阵元位置的接收信号：x
M+n
＝x
F
α；后向预测实现过程：使用实阵列的第M号阵元作为参考阵元第M
‑
P+1～M号阵元信号作为线性预测的P阶观测值：
根据维纳
‑
霍夫方程，计算后向预测系数β：其中，其中，为x
B
的自相关矩阵，为后向预测中参考阵元与后向预测所使用P阶观测值x
B
的互相关向量；对后向第n个虚拟阵元位置的接收信号进行估计时，所需要的P阶...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄丽君，周骞，廖书寒，张舒皓，马军虎，周毓昌，王志高，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：