一种基于Toeplitz重构MUSIC算法的方位估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Toeplitz重构MUSIC算法的方位估计方法。本专利方法通过阵元接收数据的自协方差和MMUSIC算法的自协方差矩阵来构造新的协方差矩阵，利用新的协方差矩阵构造Toeplitz矩阵。然后对该矩阵进行特征值分解得到相应的信号子空间和噪声子空间，然后通过谱峰搜索得到精确方位角估计值。本专利方法既能精确的对多个相干信号进行方位估计，也不会影响非相干信号的方位估计精度，并且在低信噪比、小快拍以及信号入射角度间隔较小的情况下也具有良好的估计性能，在实际工程中具有较大的应用价值。的应用价值。的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Toeplitz重构MUSIC算法的方位估计方法


[0001]本专利技术涉及的是一种水听器阵列的波达方向估计方法，具体的说，是一种基于Toeplitz重构MUSIC算法的方位估计方法。

技术介绍

[0002]波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计是信息、控制和通信等学科众多专家学者致力研究的课题，随着社会经济和科学技术的发展，在雷达、声呐、5G移动通信、医学、导航和地震勘探等领域的应用越来越广泛。经过几十年的发展，国内外学者提出了一系列高分辨率的DOA估计方法，比如Capon提出的最小方差谱估计方法，Burg提出的最大熵法、扩展Prony法，Pisarenko提出的谐波分解法。为了提高角度分辨力，空域谱分析必然要采用非线性处理，如极大似然估计、基于接收信号的自相关矩阵的特征分解法，其中典型代表的是多重信号分类(Multiple Signal Classification,MUSIC)方法，随后又有多种新的算法，如旋转不变技术的参数估计法(ESPRIT)，最小范数法(MN)，投影矩阵法和矩阵分解法等。上述方法是基于特征值分解，通过谱峰搜索来确定信号的入射角度，具有高分辨能力，高估级精度以及良好的稳定性，但对相干信号进行DOA估计时会完全失效，另外，在低信噪比和小快拍条件下估计性能也会下降。
[0003]针对传统方法无法解相干的问题，研究者们提出了大量关于相干信号的DOA估计方法，例如基于修正MUSIC(MMUSIC)算法的DOA估计方法和基于重构噪声子空间(IRNSMUSIC)的相干信号DOA估计方法，这两种方法都能在保持原有阵列孔径的前提下有效降低信号间的相干系数，对两个相干信号有较高的分辨能力，提升了MUSIC算法的估计性能，但是对两个以上相干信号进行DOA估计时性能会严重下降。如果有一种处理方法，能够保持多重信号分类MUSIC算法估计精度高、分辨率高并且不会损失阵列孔径的优点，同时能够同时对两个以上相干信号进行精确DOA估计，而且能够增强该类方法在实际工程环境中(如阵元接收信号信噪比较低或者快拍数较少等情况)的稳健性，则可以提升该类方法在实际工程中的应用。
[0004]在山东省自然科学基金面上项目(ZR2017MF024)的资助下，对该问题进行了研究。本专利提出了一种基于Toeplitz重构MUSIC算法的方位估计方法，本专利方法不会损失阵列孔径，能够在低信噪比和小快拍下得到精确的方位估计，具有重要的工程价值。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对基于修正MUSIC(MMUSIC)算法的DOA估计方法和基于重构噪声子空间(IRNSMUSIC)的相干信号DOA估计方法在低信噪比、小快拍下以及相干信号个数大于2时波达方向估计性能严重下降的问题，提出了一种基于Toeplitz重构MUSIC算法的方位估计方法。其特征在于：该专利方法利用水下航行器水听器阵列接收的原始数据进信号预处理，得到接收数据协方差利用特征值分解方法得到信号子空间和噪声子空间，然后利用传统的MUSIC算法得到空间谱图像，从而得到精确的DOA估计。本专利方法不会损失阵列
孔径，能够在低信噪比和小快拍下得到精确的方位估计，具有重要的工程价值。
[0006]本专利技术的稳健、高精度DOA估计信号处理过程包括如下的步骤：
[0007]步骤一、将M个阵元构成的水听器阵的接收数据表示为X(t)＝A(θ)S(t)+N(t)，其中X(t)＝[x1(t),x2(t),
…
,x
M
(t)]T
为阵元接收数据矩阵，A(θ)＝[a(θ1),a(θ2),
…
,a(θ
K
)]为阵列导向矢量矩阵，S(t)＝[s1(t),s2(t),
…
,s
K
(t)]T
为入射到均匀线阵上的信号信号矢量，K表示入射信号的个数，N(t)＝[n1(t),n2(t),
…
,n
M
(t)]T
为水听器阵接收的高斯白噪声数据矩阵，t＝1,2,
…
,N，表示阵列数据的采样索引，式中上标“T”表示矩阵的转置；
[0008]步骤二、根据公式计算步骤一中阵列接收数据X(t)的协方差矩阵的估计值，式中上标“H”表示矩阵的共轭转置；
[0009]步骤三、设置M
×
M阶的反对角矩阵J，令该矩阵副对角线元素为1，其余元素均为0，即
[0010]步骤四、对步骤一中的阵元接收数据矩阵X(t)取共轭得到X
*
(t)，式中上标“*”表示矩阵的共轭；
[0011]步骤五、根据步骤四中X
*
(t)构造新的接收数据矩阵：Y(t)＝JX
*
(t)；
[0012]步骤六、根据步骤五中的Y(t)构造新的协方差矩阵其中为R
X
的共轭转置；
[0013]步骤七、根据步骤二中的协方差矩阵R
X
和步骤六中的协方差矩阵R
Y
构造新协方差矩阵R，计算公式为
[0014]步骤八、选取步骤七中的新协方差矩阵R的第一列和第一行，分别记为e1，e2，根据e1和e2构造Toeplitz矩阵
[0015]步骤九、对步骤八中的Toeplitz矩阵进行特征值分解，得到特征值分别为λ1,
…
,λ
M
，和特征值对应的特征向量u1,
…
,u
M
，取前M
‑
K个小特征值对应的特征向量构成噪声子空间
[0016]步骤十、根据水听器阵列结构，计算水听器阵列流型向量公式中，d表示阵元间距，λ为信号波长，θ为信号参数范围；
[0017]步骤十一、计算目标空间谱估计值
[0018]步骤十二、令θ为
‑
90
°
～+90，以角度间隔1
°
对空间谱进行谱峰搜索，空间谱极值对
应的角度即为目标入射角的估计值。
[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)本专利技术中的方法利用Toeplitz重构的方法，相当于对阵列孔径进行扩展，有助于实现角度的精确估计；
[0021](2)本专利技术对协方差矩阵R进行Toeplitz重构，能够利用线性阵列流型的关系，进一步提高了估计性能，提高了信号利用率；
附图说明
[0022]图1为本系统的实际场景应用图；
[0023]图2为本专利对两个非相干信号处理的空间谱图；
[0024]图3为本专利对两个相干信号处理的空间谱图；
[0025]图4为本专利对三个相干信号处理的空间谱图；
[0026]图5为本专利信号处理方法的估计成功概率与信噪比的关系曲线；
[0027]图6为本专利信号处理方法的估计成功概率与数据长度的关系曲线。
具体实施方式
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Toeplitz重构MUSIC算法的方位估计方法，其特征在于：方位估计方法包括如下步骤：步骤一、将M个阵元构成的水听器阵的接收数据表示为X(t)＝A(θ)S(t)+N(t)，其中X(t)＝[x1(t),x2(t),
…
,x
M
(t)]
T
为阵元接收数据矩阵，A(θ)＝[a(θ1),a(θ2),
…
,a(θ
K
)]为阵列导向矢量矩阵，S(t)＝[s1(t),s2(t),
…
,s
K
(t)]
T
为入射到均匀线阵上的信源信号矢量，K表示入射信号的个数，N(t)＝[n1(t),n2(t),
…
,n
M
(t)]
T
为水听器阵接收的高斯白噪声数据矩阵，t＝1,2,
…
,N，表示阵列数据的采样索引，式中上标“T”表示矩阵的转置；步骤二、根据公式计算步骤一中阵列接收数据X(t)的协方差矩阵的估计值，式中上标“H”表示矩阵的共轭转置；步骤三、设置M
×
M阶的反对角矩阵J，令该矩阵副对角线元素为1，其余元素均为0，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王绪虎，侯玉君，田雨，金序，李恩玉，王辛杰，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：