基于非正交分解的空间辐射源到达角估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于非正交分解的空间辐射源到达角估计方法，将天线阵元采集数据进行处理的具体作法为：根据空间辐射源信号的载频，天线阵列的特征，按照原子向量ｇ的公式，构造非正交过完备原子向量库Ｇ。再对天线阵列接收的数据矢量Ｘ在非正交过完备原子库Ｇ中进行匹配处理；将阵列天线接收数据在非正交过完备原子库Ｇ中作投影，选择可以得到投影分量最大的原子向量ｇ作为最佳原子向量；该最佳原子向量的空间到达角参数θ，即为空间辐射源到达角的估计值。该方法估计精度高，在低信噪比、空间信号源相关的情况下仍然适用，而且对天线阵列误差不敏感，其所需计算量和存储量小，可用于各种通信、雷达、声纳设备上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及空间辐射源来波参数的估计
，尤其涉及一种空间辐射源来波到达角的估计方法。
技术介绍
空间辐射源来波参数如来波到达角的估计在无线电通信、雷达、声纳、地震探测、导航和医学等领域有着广泛的应用，一直是通信、雷达、声纳等设备上使用的重点技术。经过多年的深入研发，到达角的估计方法得到了迅猛发展。现在，主要有两类方法MUSIC(多信号分类)算法和ESPRIT(借助旋转不变技术估计参数)算法。MUSIC类方法的核心是将阵列接收数据投影到两个子空间---代表信号的信号子空间和代表噪声的噪声子空间，由于假设信号和噪声不相关，所以认为信号子空间的投影分量和噪声子空间的投影分量正交，在到达角值域中搜索与噪声正交的分量，从而求得来波到达角参数。MUSIC算法的优点是算法仅需一次特征值分解，然后主要进行简单的测量和存储工作，并得到了较高的估计精度。但MUSIC算法的计算量和需要的存储量均很大，而且在低信噪比、阵列传感器存在误差或信号源相关时性能变差甚至失效。ESPRIT算法的工作原理是利用两个完全相同的子阵列，将两个子阵列放在间距为d(d小于半波长)的两个位置上，则两个子阵列之间除了间距d以外其它都是完全相同的，表现在两个子阵接收到的电磁波来说，除了相应于间距d的相位移以外，其它都是相同的。利用这个关系，通过矩阵运算，可以求解出相位移，再根据相位移和到达角之间的几何关系，求出各信号的到达角。ESPRIT算法大大减小了MUSIC的计算和存储的要求，而且不需要对所有可能的方向进行反复搜索来估计波达方向。但由于ESPRIT算法基于完全相同的两个子阵列，因此当两个子阵列不完全一样时，即存在阵列误差时，算法将失效。这种算法在低信噪比、阵列传感器存在误差或信号源相关时同样性能变差甚至失效。因此采用现有到达角估计方法的通信、雷达等设备均对信噪比、阵列误差以及信源相关环境等有苛刻要求，大大阻碍了通信、雷达、声纳等系统在实际中的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种。该方法估算精度高，在低信噪比，空间信号源相关的情况下仍然适用，而且对天线阵列误差不敏感，其所需计算量和存储量小，可用于各种通信、雷达、声纳设备上。本专利技术解决其技术问题，所采用的技术方案为一种，其步骤包括由分布于空间的M个天线阵元构成天线阵列接收空间辐射源信号，采集天线阵元上的数据矢量X，然后在数字处理模块中对采集的数据矢量进行处理，估计出空间辐射源信号的到达角并输出，其特征在于所述将天线阵元采集数据进行处理的具体作法为a、构造非正交过完备原子向量库G原子向量g的公式为g=ejω0t1···exp(-jω0((xm+ymtgθ)sinθ-ym/cosθ)/c)···exp(-jω0((xM+yMtgθ)sinθ-yM/cosθ)/c)]]>式中，ω0为空间辐射源信号的载频，m＝1，2...M为天线阵元的序数，xm、ym分别为第m个天线阵元相对m＝1的第一个天线阵元的横坐标和纵坐标，c为光速，θ为原子向量g的空间到达角参数，将θ在空间辐射源到达角的最大取值范围内等间隔取不同的值，获得若干原子向量g，即构造出非正交过完备原子向量库G；b、对天线阵列接收的数据矢量X在非正交过完备原子库G中进行匹配处理将阵列天线接收数据在a步建立的非正交过完备原子库G中作投影，选择可以得到投影分量最大的原子向量g作为最佳原子向量；该最佳原子向量的空间到达角参数θ，即为空间辐射源到达角参数的估计值。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是本专利技术是将天线阵列接受到的空间辐射源的数据矢量在非正交过完备原子库中作投影，选择可以得到投影分量最大的原子作为最佳原子，从而估计出空间辐射源的达到角。由于非正交原子向量库的构造方法是根据拟估计的空间辐射源特征参数计算生成。可以充分利用辐射源的已知信息，因此可以在极低信噪比环境下估计出信号参数，仿真实验结果证明，本专利技术在低信噪比的环境下，估计结果精度高，比现有的方法的误差成倍降低。当多个辐射源信号相关时，只要信号之间有一点区别，就可以成功区分信号，分别估计出各信号的参数，从而对信号源的相关环境要求低，由于这种方法的参数的获得主要依赖所采用的非正交原子向量库，如果此向量库是按照已完成的天线阵列参数设定的，就可以突破以往方法中假设阵列天线为理想天线，即假设天线阵元间距无误差，所有阵元完全相同的限制，从而可以在任意排列的阵列条件下，获得更为精确的参数估计。非正交过完备原子库为根据公式计算得出，它是在处理时根据空间辐射源及天线阵列的特征实时计算得出待用非正交过完备原子库。无需在事先存储大量的各种原子库，其计算与储存容量小。上述天线阵列为均匀线型阵列，a步构造非正交过完备原子向量G库时，原子向量的公式为g=ej(ω0t)1···exxp(-jω0(m-1)dsinθ/c)···exp(-jω0(M-1)dsinθ/c)]]>式中，d为均匀线型阵列的阵元间距。此公式是通过将以上的一般阵列的原子向量公式g中，令xm＝(m-1)d，ym＝0转化而成。采用均匀线型阵列，既使天线阵列带来的误差减小，又使本专利技术的计算与匹配处理更加简单容易。上述的a步构造非正交过完备原子向量库G时，将θ在空间辐射源达到角的最大取值范围内按1至5度等间隔取不同的值，求得不同的原子向量g，所有原子向量g即构成初步的非正交过完备原子向量库G；再按b步的作法进行匹配处理，得到初次匹配的最佳原子的空间到达角参数θ；再以该到达角参数为中心，按a步的方法在空间到达角参数θ初次取值间隔的范围内，按间隔0.1至0.5度均匀取值，求得新的原子向量g，得到与空间辐射源达到角更逼近、空间到达角θ间隔更小的非正交过完备原子向量库G，进行b步的第二次匹配，得到精度为0.1至0.5度的最佳原子到达角参数θ；如此循环，即得到符合精度要求的最佳原子到达角参数θ。采用逐次逼近匹配的方法，使得本专利技术构造的原子库的原子总量小，但集中于辐射源信号特征附近，相互间特征参数差别小的原子的数量却很多，可以在很低的计算量下，快速地、高精度地估计得到空间辐射源的达到角参数。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1是本专利技术实施例一的条件下，本专利技术的方法以及现有的ESPRIT和MUSIC两种方法的到达角估计标准差与信噪比的关系曲线。图2是本专利技术实施例二的条件下，本专利技术的方法以及现有的ESPRIT和MUSIC两种方法的到达角估计标准差与信噪比的关系曲线。图1、图2中，纵轴为估计得到的到达角标准差σ，横轴为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于非正交分解的空间辐射源到达角估计方法，其步骤包括由分布于空间的Ｍ个天线阵元构成天线阵列接收空间辐射源信号，采集天线阵元上的数据矢量Ｘ，然后在数字处理模块中对采集的数据矢量进行处理，估计出空间辐射源信号的到达角并输出，其特征在于：所述将天线阵元采集数据进行处理的具体作法为：ａ、构造非正交过完备原子向量库Ｇ：原子向量ｇ的公式为：＊＊＊式中，ω↓［０］为空间辐射源信号的载频，ｍ＝１，２…Ｍ为天线阵元的序数，ｘ↓［ｍ］、ｙ↓［ｍ］分别为第ｍ个天线阵元相 对ｍ＝１的第一个天线阵元的横坐标和纵坐标，ｃ为光速，θ为原子向量ｇ的空间到达角参数，将θ在空间辐射源到达角的最大取值范围内等间隔取不同的值，获得若干原子向量ｇ，即构造出非正交过完备原子向量库Ｇ；ｂ、对天线阵列接收的数据矢量Ｘ在非正交 过完备原子库Ｇ中进行匹配处理：将阵列天线接收数据在ａ步建立的非正交过完备原子库Ｇ中作投影，选择可以得到投影分量最大的原子向量ｇ作为最佳原子向量；该最佳原子向量的空间到达角参数θ，即为空间辐射源到达角参数的估计值。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王建英，尹忠科，陈磊，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]