一种基于移动阵列的联合幅相误差估计与直接定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于移动阵列的联合幅相误差估计与直接定位方法，包括：通过移动阵列接收辐射源信号，再通过阵列的移动变换阵列位置；新的阵列再次接收辐射源信号；对多次阵列接收到的信号计算协方差矩阵进行特征值分解，得到多个信号噪声子空间；通过噪声子空间和导向矢量重构二次优化问题，构造代价函数，最后通过网格搜索确定辐射源位置，同时获得幅相误差估计值。本发明专利技术突破了传统的直接定位中辐射源位置估计精度受限于幅相误差的藩篱，且无需辅助信源和阵元，也无需迭代求解，可以获得高精度的辐射源位置和幅相误差联合估计，具有重要的应用价值。有重要的应用价值。有重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于移动阵列的联合幅相误差估计与直接定位方法


[0001]本专利技术涉及辐射源位置和幅相误差联合估计方法，特别是涉及一种基于移动阵列的联合幅相误差估计与直接定位方法。

技术介绍

[0002]阵列信号处理作为现代信号处理的一个重要分支，是近几十年来发展十分迅速的一个
，在雷达、声呐、无线通讯等军事及民用领域得到广泛的应用。无源定位是阵列信号处理处理的关键技术。传统的无源定位技术大多是两步估计模式，即先从目标辐射的信号数据中提取用于定位的相关测量，如信号到达角、信号到达时间、信号到达时间差、信号到达强度等，然后再从上述观测量中获取目标的位置参数。直接定位(Direction Position Determination,DPD)技术区别于传统的两步定位技术，同样使用两步定位中的接收信号，却无需到达角等参数的估计，可以直接估计目标的位置。直接定位技术基于极大似然原理，建立目标代价函数，并且经过多维网格搜索确定代价函数的极值点，以获得目标位置的估计值。
[0003]阵列误差的普遍存在是无源定位技术应用到实际工程中困难的重要原因。一般情况下，几乎所有的直接定位算法都是建立在精确已知阵列流型的前提上，为了得到良好的算法估计效果，必须保证实际使用的阵列和理论研究中的标准阵列模型完全一致。但在实际应用中无论器件自身的因素还是实际环境因素都可能导致阵列出现误差。当使用理想的阵列流型进行直接定位时，就不可避免地得到误差较大的定位结果，或者定位结果根本就是无效的。传感器中各个阵元接收来波存在时延，而时延又与来波方向角有关，利用时延最终完成位置估计。大多数阵列误差的影响都能归结为阵列幅相误差。可以看出，研究阵列幅相误差存在条件下的直接定位算法，对于无源定位技术的实用化具有重要意义。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于移动阵列的联合幅相误差估计与直接定位方法，用以解决
技术介绍
中提及的技术问题，该方法基于移动阵列实现阵列位置切换，能够校正幅相误差，实现阵列幅相误差与辐射源位置联合估计，提高直接定位的精确性。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种基于移动阵列的联合幅相误差估计与直接定位方法，该方法包括以下步骤：
[0007]步骤S1、针对一接收阵列，获取其在第一位置处接收的辐射源信号，并计算该信号的协方差矩阵，再通过特征值分解得到对应的噪声子空间，其中，该接收阵列由M个阵元组成，阵元间距为单位间隔d＝λ/2，λ表示波长；
[0008]步骤S2、多次移动所述的接收阵列，并且在每个新位置处均执行一次步骤S1中的操作，获得对应的噪声子空间；
[0009]步骤S3、根据每次移动获取的噪声子空间构建二次优化问题，再通过构造代价函数的方式求解该二次优化问题，得到辐射源位置与幅相误差的估计值。
[0010]进一步的，在所述步骤S1中，假设该接收阵列沿y轴方向排列，空间中有K个辐射源，辐射源位置为p
k
＝[p
xk
,p
yk
,p
zk
]T
，K个辐射源信号均为波长为λ的远场窄带信号，并且观测点的位置为u1＝[u
x1
,u
y1
,u
z1
]T
，观测点位置精确已知；
[0011]当阵列幅相误差存在时，接收到的辐射源信号的表达式为：
[0012]y1(t)＝CA1s(t)+n1(t)
ꢀꢀ
(1)
[0013]公式(1)中，s(t)＝[s1(t),s2(t),
…
,s
K
(t)]T
为信号向量，n1(t)为加性高斯白噪声，A1＝[a1(p1),a1(p2),
…
,a1(p
K
)]代表方向矩阵，a1(p
k
)代表p
k
方向上的阵列导向矢量，表示为其中，d
m
表示阵列的第m个阵元相对于参考阵元的位置矢量，k1(p
k
)为观测位置u1处的波数向量，表示为
[0014]进一步的，在所述步骤S1中，根据所述接收到的辐射源信号，计算协方差矩阵，表达式为：
[0015][0016]公式(2)中，J表示数据的快拍数。
[0017]进一步的，在所述步骤S1中，对协方差矩阵进行特征分解，表达式为：
[0018][0019]公式(3)中，和分别为第1个位置的接收信号协方差矩阵特征分解得到的信号子空间和噪声子空间，记λ
1,i
,i＝1,
…
,M为R1的M个特征值且λ
1,1
≥
…
≥λ
1,K
＞λ
1,K+1
＝
…
＝λ
1,M
，和分别为由K个大特征值和M
‑
K个小特征值组成的对角阵，其中，
[0020]进一步的，在所述步骤S2中，当进行第l次移动时，噪声子空间为假设一共观测了L次，则l个观测点的位置分别记为u
l
＝[u
xl
,u
yl
,u
zl
]T
。
[0021]进一步的，所述S3具体包括：
[0022]步骤S301、构建二次优化问题，表达式为:
[0023][0024]公式(4)中，e1＝[1,0,...,0]T
，c＝[c1,c2,...,c
M
]为幅相误差，
[0025]其中，表示进行第L次观测时获得的噪声子空间；a
L
(p)表示进行第L次观测时，接收阵列的导向矢量；
[0026]步骤S302、构造代价函数，表达式为：
[0027]步骤S303、对所述代价函数求偏导：c＝ξQ
‑1(p)e1，其中，ξ是一个常数，由于则得ξ＝1/e
H
Q
‑1(p)e1；
[0028]步骤S304、获得幅相误差c的估计值：
[0029]步骤S305、将幅相误差c的估计值代入辐射源位置的估计值表示为：
[0030]。
[0031]本专利技术的有益效果是：
[0032]本专利技术突破了现有技术中直接定位技术对幅相误差的局限，能够获得精确的位置估计值，具有更准确的定位性能；在幅相误差存在的情况下，本专利技术无需辅助校准信源、无需辅助校准阵元、无需迭代求解就可以估计出幅相误差的值并进行校正，能获得高分辨率估计。
附图说明
[0033]图1是实施例1中提供的一种基于移动阵列的联合幅相误差估计与直接定位方法的流程示意图；
[0034]图2是实施一种基于移动阵列的联合幅相误差估计与直接定位方法的场景示意图；
[0035]图3是实施例1中提供的定位散点图；
[0036]图4是本实施例方法与未进行幅相误差校正的直接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于移动阵列的联合幅相误差估计与直接定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤S1、针对一接收阵列，获取其在第一位置处接收的辐射源信号，并计算该信号的协方差矩阵，再通过特征值分解得到对应的噪声子空间，其中，该接收阵列由M个阵元组成，阵元间距为单位间隔d＝λ/2，λ表示波长；步骤S2、多次移动所述的接收阵列，并且在每个新位置处均执行一次步骤S1中的操作，获得对应的噪声子空间；步骤S3、根据每次移动获取的噪声子空间构建二次优化问题，再通过构造代价函数的方式求解该二次优化问题，得到辐射源位置与幅相误差的估计值。2.根据权利要求1所述的一种基于移动阵列的联合幅相误差估计与直接定位方法，其特征在于，在所述步骤S1中，假设该接收阵列沿y轴方向排列，空间中有K个辐射源，辐射源位置为p
k
＝[p
xk
,p
yk
,p
zk
]
T
，K个辐射源信号均为波长为λ的远场窄带信号，并且观测点的位置为u1＝[u
x1
,u
y1
,u
z1
]
T
，观测点位置精确已知；当阵列幅相误差存在时，接收到的辐射源信号的表达式为：y1(t)＝CA1s(t)+n1(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)公式(1)中，为信号向量，n1(t)为加性高斯白噪声，A1＝[a1(p1),a1(p2),
…
,a1(p
K
)]代表方向矩阵，a1(p
k
)代表p
k
方向上的阵列导向矢量，表示为其中，d
m
表示阵列的第m个阵元相对于参考阵元的位置矢量，k1(p
k
)为观测位置u1处的波数向量，表示为3.根据权利要求2所述的一种基于移动阵列的联合幅相误差估计与直接定位方法，其特征在于，在所述步骤S1中，根据所述接收到的辐射源信...

【专利技术属性】
技术研发人员：张淇婷，李建峰，李潘，朱珂慧，张小飞，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：