一种大间距线性阵列的无模糊波达方向估计方法技术

本发明专利技术公开了一种大间距线性阵列的无模糊波达方向估计方法，涉及信号处理技术领域，包括构造分离式线性阵列和无模糊波达方向估计两个部分，首先利用阵列接收数据获得两个信号子空间及一个包含模糊角度信息的方向角矩阵1，然后利用方向角矩阵1获得一个包含无模糊角度信息的方向角矩阵2，最后利用方向角矩阵2构造出一个高阶的信号子空间，利用旋转不变子空间法的原理获得高精度无模糊的波达方向估计。相比于常规的均匀阵列和稀疏阵列，本发明专利技术所提阵列的所有阵元间距都不受半波长间距的限制，对阵元之间的互耦效应有更强的鲁棒性，且精确度要远高于传统的旋转不变子空间法。且精确度要远高于传统的旋转不变子空间法。且精确度要远高于传统的旋转不变子空间法。

【技术实现步骤摘要】
一种大间距线性阵列的无模糊波达方向估计方法


[0001]本专利技术涉及信号处理
，具体为一种大间距线性阵列的无模糊波达方向估计方法。

技术介绍

[0002]信号的波达方向估计就是通过对阵列接收数据的处理来获取空间信号相对于阵列天线的到达角度，在移动通信、雷达技术、声场检测等领域内有着重要的应用。
[0003]目前已有大量的波达方向估计方法被学者们提出，其中包括多重信号分类(Multiple signal classification，MUSIC)、旋转不变子空间(estimation of signal parameter via rotational invariance techniques,ESPRIT)、传播算子、最大似然、稀疏重构等。常规的波达方向估计方法是基于均匀阵列设计的，为了避免角度模糊，阵元间距通常不能超过入射信号的半个波长。而在实际应用中，阵元之间的互耦效应不可避免的存在着，阵元间距越小，互耦效应就越强。
[0004]使用非均阵列是减小阵元互耦效应的有效方法，早期的非均匀阵列有最小冗余阵列，近年来又有互素阵列、嵌套阵列等多种非均匀阵列结构被提出。相比于传统的均匀阵列，非均匀阵列的部分阵元间距可以大于信号的半个波长，所以能减小阵元之间的互耦效应。但这些非均匀阵列依然存在间距较小的阵元，这些阵元之间的互耦效应依然较强。最近几年，一种展开互素阵列被提出，这种阵列的所有阵元间距都可以超过信号半波长。虽然展开互素阵列可以更有效的减小阵元间的互耦效应，但却只能应用到MUSIC、稀疏重构等一些复杂度较高的方法，很难直接应用到复杂度更低的ESPRIT法。
[0005]为了在减小阵元间互耦效应的同时提高对波达方向估计的精确度，提出一种大间距分离线性阵列，并根据这种阵列提出了一种异于传统ESPRIT法的扩展ESPRIT法来估计波达方向。利用阵列大间距和局部均匀特性在消除角度模糊的同时构造高阶的信号子空间，从而获得高精度无模糊的波达方向估计。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种大间距线性阵列的无模糊波达方向估计方法，在增大阵元间距、减小阵元间互耦效应的同时还能高精确度的波达方向估计，可以有效解决
技术介绍
中的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种大间距线性阵列的无模糊波达方向估计方法，该方法包括以下步骤：
[0008]S1:布置对称大间距阵列，建立信号接收模型；
[0009]S2:获取包含模糊角度信息的方向角矩阵；
[0010]S3:消除角度模糊、获取无模糊方向角矩阵；
[0011]S4:重组信号子空间获得高精度波达方向估计。
[0012]作为本专利技术的一种优选技术方案，在步骤S1中，布置对称大间距阵列，建立信号接
收模型的步骤具体为：
[0013]S1
‑
1:在一条水平直线上放置左、右两个子阵，两个子阵的内部阵元间距超过入射信号的半个波长；
[0014]S1
‑
2:以左子阵的第一个阵元为原点，阵列所在的直线为x轴,在信号源与线阵所在的平面建立平面直角坐标系；
[0015]S1
‑
3:根据所有阵元在坐标系中的位置建立阵列接收的数学模型。
[0016]作为本专利技术的一种优选技术方案，在步骤S2中，获取包含模糊角度信息的方向角矩阵的步骤具体为：
[0017]S2
‑
1：利用阵列的接收数据估计出阵列接收的协方差矩阵；
[0018]S2
‑
2：通过对协方差矩阵的特征值分解，获取信号子空间；
[0019]S2
‑
3：将信号子空间分割成与左、右两个子线阵对应的两个信号子空间；
[0020]S2
‑
4：利用这两个信号子空间，结合两个子线阵的旋转不变性获得包含模糊角度信息的方向角矩阵1。
[0021]作为本专利技术的一种优选技术方案，在步骤S3中，消除角度模糊、获取无模糊方向角矩阵的步骤具体为：
[0022]S3
‑
1：利用步骤S2中获得的方向角矩阵1对两个信号子空间进行变换，获得两个新的信号子空间；
[0023]S3
‑
2：对四个信号子空间进行两两交叉组合，构造出两个扩展的信号子空间；
[0024]S3
‑
3：利用两个扩展信号子空间的结构特点，获得包含无模糊角度信息的方向角矩阵2。
[0025]作为本专利技术的一种优选技术方案，在步骤S4中，重组信号子空间获得高精度波达方向估计的步骤具体为：
[0026]S4
‑
1：利用步骤S3中获得的方向角矩阵2对步骤2中获得的第一个信号子空间进行扩展；
[0027]S4
‑
2：利用步骤S3中获得的方向角矩阵2对步骤2中获得的第二个信号子空间进行扩展；
[0028]S4
‑
3：利用两个扩展后的信号子空间重组一个更高阶的信号子空间；
[0029]S4
‑
4：利用这个高阶的信号子空间获得一个包含精确角度信息的方向角矩阵3；
[0030]S4
‑
5：通过对方向角矩阵3的特征值分解获得精确的波达方向角估计值。
[0031]进一步的，
[0032]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本大间距线性阵列的阵元排布方法及针对这种阵列波达方向估计方法，具有以下好处：
[0033]1、本专利技术提出了一种大间距线性阵列结构，这种阵列中任意两个阵元之间的距离都可以远超过信号的半个波长，理论上，阵元距离的设置是没有上限的，在应用中可以根据实际情况来进行选取，因此能更有效的减小阵元之间的互耦效应。
[0034]2、本专利技术针对这种大间距线性阵列，提出了一种波达方向估计方法，这种方法充分利用阵列的大间距特性，构造行阶数数倍于阵元数的高阶信号子空间，利用ESPRIT方法的原理获得高精度无模糊的波达方向估计结果，其精确度远超过基于均匀线阵的传统ESPRIT方法，均方根误差与估计下界(克拉罗美界)非常接近。
附图说明
[0035]图1为专利技术方法的框图；
[0036]图2为根据线阵位置和信号源位置建立的平面直角坐标系示意图；
[0037]图3为2N元大间距线阵的结构示意图；
[0038]图4为本专利技术方法在信噪比为10dB、快拍数500时，对二个信号波达方向的100次估计值与真实值的仿真对比图，信号到达角度为(45
°
，55
°
)，阵列为一个10元线阵，其中N＝5,p＝3，d为信号的半波长；
[0039]图5为本专利技术方法在信噪比为10dB、快拍数500时对三个信号波达方向的100次估计值与真实值的仿真对比图，信号到达角度为(30
°
，40
°
，50
°
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大间距线性阵列的无模糊波达方向估计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1: 布置对称大间距阵列，建立信号接收模型；S2: 获取包含模糊角度信息的方向角矩阵；S3: 消除角度模糊、获取无模糊方向角矩阵；S4: 重组信号子空间获得高精度波达方向估计。2.根据权利要求1所述的一种大间距线性阵列的无模糊波达方向估计方法，其特征在于：在步骤S1中，布置对称大间距阵列，建立信号接收模型的步骤具体为：S1
‑
1: 在一条水平直线上放置左、右两个子阵，两个子阵的内部阵元间距超过入射信号的半个波长；S1
‑
2: 以左子阵的第一个阵元为原点，阵列所在的直线为x轴, 在信号源与线阵所在的平面建立平面直角坐标系；S1
‑
3: 根据所有阵元在坐标系中的位置建立阵列接收的数学模型。3.根据权利要求1所述的一种大间距线性阵列的无模糊波达方向估计方法，其特征在于：在步骤S2中，获取包含模糊角度信息的方向角矩阵的步骤具体为：S2
‑
1：利用阵列的接收数据估计出阵列接收的协方差矩阵；S2
‑
2：通过对协方差矩阵的特征值分解，获取信号子空间；S2
‑
3：将信号子空间分割成与左、右两个子线阵对应的两个信号子空间；S2
‑
4：利用这两个信号子...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘声，赵静，吴德成，蒋清平，曾诚，
申请(专利权)人：铜仁学院，
类型：发明
国别省市：