一种基于非均匀线性阵列的信号源定位方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于非均匀线性阵列的信号源定位方法及系统，该方法基于频域互相关算法，计算得到信号的互功率谱函数和相频特性，通过解卷绕算法计算得到信号时延的估计，并进一步得到信号源方位的精确估计。本方法根据非均匀阵列的布阵方式设计了解卷绕算法，解决了阵列信号处理中的相位模糊问题，解决了周期性多值问题。在同样阵元个数的情况下，非均匀布阵使得定位系统能够拥有更大的等效孔径，以达到更高精度的定位效果；非对称的布阵方式也使得系统可以复用阵元和通道。本方法利用递推的思想，循环计算并修正定位结果，也使得定位精度进一步提高。本系统采用的阵元个数以及阵元间距可以根据需求灵活地改动，以满足不同的成本和精度要求。的成本和精度要求。的成本和精度要求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于非均匀线性阵列的信号源定位方法及系统


[0001]本专利技术涉及阵列信号处理
，尤其涉及一种基于非均匀线性阵列的信号源定位方法和系统。

技术介绍

[0002]在信号源定位技术中，最关键的一步即为计算出信号到达各接受器的到达时间差(Time Delay of Arrival,TDOA)，从而可以计算得出二维或三维的位置。广义互相关算法(Generalized Cross Correlation，GCC)是TDOA估计算法中使用较为广泛的一种。互相关是描述两个信号在时域上相似性的基本方法，它描述了2个时间序列之间在任意不同时刻取值之间的相关程度。由于来自同一信号源的信号存在一定的相关性，因此通过计算不同阵元接收信号之间的互相关函数，以及其峰值对应的时间自变量，可以估算出这一信号源发出的信号到达不同接收阵元的时间差。
[0003]理论上，若要实现信号源方向的确定，只需要二元的线性阵列结构，就可以计算出信号源发出信号到达两个麦克风的时间差。但这种简单结构存在两个问题：若阵元间距过小，则TDOA的估计存在较大误差；若阵元间距过大，则会导致相位模糊，相位的卷绕会引起计算结果的周期性多值问题，使得定位不准确。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的问题是阵列信号估计中的相位模糊问题。本专利技术设计了一种非均匀线性阵列布放方式，并利用其多路信号设计了解卷绕算法，实现了更高精度的定位系统。在同样阵元个数的情况下，此系统用非均匀阵列布放的方法达到了更大的等效孔径，用迭代的方式达到了更高的定位精度。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0006]一方面，本专利技术提供一种基于非均匀线性阵列的信号源定位方法，包括以下具体步骤：
[0007]S1.将阵元按照非均匀线性方式布放，其中存在一对接收阵元，其间距小于信号源所发射信号的最小波长的1/2；
[0008]所得阵列接收模拟信号并进行模数转换，得到多路数字采样信号；
[0009]S2.对S1中所述的一对接收阵元的采样信号进行频域广义互相关计算，得到信号源方位的粗略估计；
[0010]S3.对S1中的其它各路信号进行频域广义互相关计算，并用S2得到的方位进行卷绕量估计，并对信号解卷绕；
[0011]S4.利用S3得到的解卷绕信号，计算得到信号源方位的精确估计。重复迭代以获得更高精度。
[0012]作为本专利技术的进一步技术方案，S1中的各路信号同步采样，同步进行模数转换处理。
[0013]作为本专利技术的进一步技术方案，S1中所述的接收阵列中，除阵元间距小于1/2波长的一对接收阵元外，其它各阵元以线性、非均匀的方式排布，且排布方式不必对称。
[0014]作为本专利技术的进一步技术方案，S2中的频域广义互相关算法：首先，对于阵元间距小于1/2波长的一对接收阵元，计算其接收到的两路信号的互相关函数；其次，应用快速傅里叶变换FFT计算两路信号的互功率谱函数，并进一步得到其相频特性；然后，根据互功率谱函数的相频特性，计算出粗略的时延估计结果，并计算得到信号源方位的粗略估计。
[0015]作为本专利技术的进一步技术方案，S3中的解卷绕算法：首先，计算其他阵元接收信号的互功率谱函数的相频特性；其次，根据阵元间距小于1/2波长的接收阵元信号的相频特性，确定卷绕量；然后，应用上述相频特性，根据卷绕量，计算解卷绕后的相频特性。
[0016]作为本专利技术的进一步技术方案，S4利用频域广义互相关算法计算得到信号源方位的精确估计并对解卷绕信号进行修正，重复迭代此步骤以提高定位精度。
[0017]作为本专利技术的进一步技术方案，将接收阵元组合形成多对接收阵元，其中接收阵元可重复且不必相邻，根据接收阵元间距将各对接收阵元升序排列，以此顺序进行迭代。
[0018]另一方面，本专利技术还提供一种基于非均匀线性阵列的信号源定位系统，该系统包括多个接收阵元、模数转换器、信号处理单元，其中，信号处理单元包括频域广义互相关、解卷绕、时延估计计算。
[0019]本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0020]1)采用非均匀阵列布放方式，在同样的阵元个数下，可以达到更大的等效孔径；
[0021]2)采用非对称的阵列布放方式，可以实现阵元和通道的复用，减少基本单元；
[0022]3)采用非均匀阵列布放方式，可以根据具体需求，修改阵元数量及各阵元间距，满足成本和精度的需求；
[0023]4)采用迭代递推的方式，对卷绕量和信号源方位重复计算修正，达到更精确的定位效果。
附图说明
[0024]图1是基于非均匀线性阵列的信号源定位系统的框架示意图；
[0025]图2是基于系统框架中信号处理单元的具体流程示意图；
[0026]图3是实施例中的非均匀线性阵列布放方式。
具体实施方式
[0027]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0028]下面结合附图和具体实施方式，使本专利技术的测量方法被更好的理解。
[0029]本专利技术提供一种基于非均匀线性阵列的信号源定位方法，包括以下具体步骤：
[0030]S1.将阵元按照非均匀线性方式布放，其中存在一对接收阵元，其间距小于信号源所发射信号的最小波长的1/2；
[0031]阵列接收模拟信号并进行模数转换，得到多路数字采样信号；
[0032]S2.对S1中所述的一对接收阵元的采样信号进行频域广义互相关计算，得到信号源方位的粗略估计；
[0033]S3.对S1中的其它各路信号进行频域广义互相关计算，并用S2得到的方位进行卷绕量估计，并对信号解卷绕；
[0034]S4.利用S3得到的解卷绕信号，计算得到信号源方位的精确估计。重复迭代以获得更高精度。
[0035]本专利技术还提供一种基于非均匀线性阵列的信号源定位系统，如图1所示，该系统包括多个接收阵元100、模数转换器101、信号处理单元102。所述多个接收阵元100对各路信号同步采样，所述模数转换器101将信号数字化；所述多个接收阵元中，存在一对接收阵元，其间距小于信号源所发射信号的最小波长的1/2。其他阵元以线性非均匀的方式排布。
[0036]本专利技术中的信号处理单元102，如图2所示，包括互相关函数计算单元200、互功率谱计算单元201、GCC时延计算单元(粗略估计)202、迭代过程控制单元203、解卷绕单元204、GCC时延计算单元(精确估计)205、方位计算单元206。
[0037]互相关函数计算单元200首先对100中的一对接收阵元，计算其接收到的两路信号的互相关函数；其次，互功率谱计算单元201应用快速傅里叶变换FFT计算两路信号的互功率谱函数，并进一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于非均匀线性阵列的信号源定位方法，其特征在于，包括以下具体步骤：S1.将阵元按照非均匀线性方式布放，其中存在一对接收阵元，其间距小于信号源所发射信号的最小波长的1/2；所得阵列接收模拟信号并进行模数转换，得到多路数字采样信号；S2.对S1中所述的一对接收阵元的采样信号进行频域广义互相关计算，得到信号源方位的粗略估计；S3.对S1中的其它各路信号进行频域广义互相关计算，并用S2得到的方位进行卷绕量估计，并对信号解卷绕；S4.利用S3得到的解卷绕信号，计算得到信号源方位的精确估计；重复迭代以获得更高精度。2.根据权利要求1所述的基于非均匀线性阵列的信号源定位方法，其特征在于，S1中的各路信号同步采样，同步进行模数转换处理。3.根据权利要求1所述的基于非均匀线性阵列的信号源定位方法，其特征在于，S1中所述的阵列中，除阵元间距小于1/2波长的一对接收阵元外，其它各阵元以线性、非均匀的方式排布，且排布方式不必对称。4.根据权利要求1所述的基于非均匀线性阵列的信号源定位方法，其特征在于，S2中的频域广义互相关算法的步骤包括：首先，对于阵元间距小于1/2波长的一对接收阵元，计算其接收到的两路信号的互相关函数；其次，应用快速傅里叶变换FFT...

【专利技术属性】
技术研发人员：王子源，钱晓昱，唐洵睿，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：