一种基于空域自适应滤波的波达方向估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于空域自适应滤波的波达方向估计方法，属于阵列天线技术领域。该方法首先对接收信号进行正交变换，得到接收到的每个阵元的解析信号；然后进行迭代计算，直到收敛，使得输出误差小于阈值；接着构建一个新的权向量，并定义空间谱函数；最后，扫描可见范围，根据谱峰位置估计波达方向。本发明专利技术方法避免了信源数估计和接收信号协方差矩阵特征值分解的要求，计算更高效，计算复杂度也更低。计算复杂度也更低。

【技术实现步骤摘要】
一种基于空域自适应滤波的波达方向估计方法


[0001]本专利技术涉及阵列天线
，尤其涉及一种基于空域自适应滤波的波达方向估计方法。

技术介绍

[0002]现有技术中，调零天线通过LMS算法和功率倒置准则得到权向量，然后将天线方向图的倒数定义为空间谱，提取的峰值对应于估计的波达方向。
[0003]当前对自适应阵列研究的主要领域是它们在雷达、GPS和通信系统中出现的问题的应用，在这些系统中，设计人员几乎总是面临干扰抑制问题。使用自适应阵列的第二个迫切需求是在严重干扰环境中进行测向。波达方向估计研究背后的原因是自适应调零天线的广泛普及，它是抗干扰系统的关键技术。
[0004]在众多性能优异的波达方向估计算法中，MUSIC是先进的超分辨率算法之一，在过去的二十年中引起了广泛关注。除了正在进行的关于MUSIC算法的有效计算，研究人员还致力于在宽带和相干信号的各种场景下在共形阵列中进行DOA估计。但是，由于MUSIC算法需要估计信源的数量；伴随着接收到的信号的协方差矩阵的特征值分解，在FPGA或DSP设备中实现这些操作更加困难和昂贵。延迟求和方法是基于波束形成的最简单经典的波达方向估计方法。延迟求和方法背后的基本思想是在空间中扫描波束并测量从每个方向接收到的功率。接收到最大功率的方向被视为波达方向。尽管延迟求和方法的计算复杂度较低，但缺点是波达方向的分辨率只能通过增加天线阵列中的元素数量来提高。
[0005]目前，现有技术中已有一些旨在提高这些算法性能的最新研究。这些方法基于波束成形而不是子空间分解。例如，现有技术中的MUSIC
‑
like算法在某些特殊情况下相当于多信号分类(MUSIC)，但对源的数量没有要求。此外，有些工作探讨了类似于MUSIC算法的类似约束，用于扫描天线而不是阵列天线。还有另一种修正协方差矩阵的算法，该算法仅适用于定向阵列天线。但是，以上算法都需要协方差矩阵分解，虽然避免了信源数的不正确估计，但是计算量大。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提出一种基于空域自适应滤波的波达方向估计方法，该方法消除了需要估计信号个数和协方差矩阵的特征值分解，从而降低了计算复杂度。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种基于空域自适应滤波的波达方向估计方法，包括以下步骤：
[0009]第一步，对接收信号进行正交变换后，得到接收到的每个阵元的解析信号x
n
(k)，n＝0,1,
…
,N；
[0010]第二步，根据下式进行迭代计算，直到收敛，使得输出误差小于阈值：
[0011]e(k)＝w
H
(k)x(k)
‑
x0(k)
[0012]w(k+1)＝w(k)+μx(k)e
*
(k)
[0013]第三步，根据下式形成一个新的权向量w
e
：
[0014]w
e
＝[
‑
1w][0015]第四步，根据下式定义空间谱函数：
[0016][0017]第五步，扫描可见范围[
‑
90
°
,90
°
]，根据谱峰位置估计波达方向。
[0018]本专利技术的有益效果在于：
[0019]1、本专利技术提出了一种基于自适应归零天线技术的波达方向估计方法，可以直接估计波达方向，其估计误差与步长成正比，与信噪比成反比。
[0020]2、本专利技术方法消除了需要估计信号个数和协方差矩阵的特征值分解，因而具有较低的计算复杂度，
[0021]3、本专利技术方法通过窄峰宽实现了更好的分辨率，优于MUSIC算法以及最近提出的MUSIC
‑
Like算法和经典方法。
[0022]4、在大信号功率的情况下，在卫星通信和卫星导航领域应用自适应调零天线，使用基于LMS算法的功率倒置自适应空间滤波算法，可以在干扰方向形成零点。本专利技术将该方法应用于波达方向估计，以弥补MUSIC算法和经典的延迟求和方法的不足。
具体实施方式
[0023]一种基于自适应归零天线技术的波达方向估计方法。为了估计多个信号的空间存在性，可以采用调零天线自适应空域滤波的方法，计算每个信号的DOA(波达方向)。所有的信号都可以被认为是干扰并且没有所期望的信号存在。如果收敛后的方向图仅在信号的DOA中形成零点，则空间谱可以定义为：
[0024][0025]显然，由于方向图是空间谱函数的倒数，其中零点会自然形成一个峰值，峰值位置是信号的DOA估计。
[0026]该方法的具体步骤如下：
[0027]第一步：对接收信号进行正交变换后，可以得到接收到的每个阵元的解析信号x
n
(k)，n＝0,1,
…
,N；
[0028]第二步：根据下式进行迭代计算，直到收敛，使得输出误差小于阈值：
[0029]e(k)＝w
H
(k)x(k)
‑
x0(k)
[0030]w(k+1)＝w(k)+μx(k)e
*
(k)
[0031]第三步：根据下式形成一个新的权向量w
e
：
[0032]w
e
＝[
‑
1w][0033]第四步：根据下式定义空间谱函数：
[0034][0035]扫描可见范围[
‑
90
°
,90
°
]，根据谱峰位置估计信号DOA。谱峰的个数就是信号的个
数。对于平面阵列，扫描范围应该是二维的。
[0036]由于DOA估计是在自适应滤波的基础上完成的，所以自适应滤波是收敛的，DOA估计是有效的。根据LMS自适应滤波算法的性能分析，学习曲线方程为：
[0037][0038]其中，λ
n
是协方差矩阵R的第n个特征值，向量v
n
(k)由瞬时协方差矩阵和权重向量确定。学习曲线方程中的最小成本函数是：
[0039]J
min
＝λ
min
‑
p
H
R
‑1p
[0040]研究第三项，收敛条件是
[0041]本方法中，计算包括两部分，一是权向量的迭代计算，二是空间谱计算。对于迭代，步长必须满足收敛条件。收敛时间由空间谱函数的第三项确定。
[0042]当1/e的值减小到其初始值时，所需的迭代次数定义为收敛时间常数，该值由最小特征值确定：
[0043][0044]权重根据第二步的迭代式更新，每次迭代计算需要分别计算两次复数乘法和加法，所以复数乘法和加法的计算时间为：
[0045][0046]另一方面，在计算空间谱时，每个搜索角将由空间谱函数计算。因为权向量和方向向量中第一个的元素为常数1，因此公式包含N个复数乘法和N个复数加法。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于空域自适应滤波的波达方向估计方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，对接收信号进行正交变换后，得到接收到的每个阵元的解析信号x
n
(k)，n＝0,1,
…
,N；第二步，根据下式进行迭代计算，直到收敛，使得输出误差小于阈值：e(k)＝w
H
(k)x(k)
‑
x0(k)w(k+1)＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪永华，董建明，杜梦杰，于晓磊，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：