基于单比特量化天线阵列的到达角估计方法及相关设备技术

本发明专利技术公开了基于单比特量化天线阵列的到达角估计方法及相关设备，所述方法包括：设计稳健单比特雷达的接收信号模型，设计稳健单比特DoA估计的优化目标函数，将优化目标函数中的第一目标函数替换为第二目标函数，得到新的优化目标函数，根据新的优化目标函数，采用近端交替最小化法和梯度下降算法求解优化问题，得到目标回波信号的入射角。本发明专利技术在于重塑单比特雷达的接收信号模型，让接收信号能够保留或反映噪声数据的分布信息，并用特定范数来描述噪声的分布，从而在使用单比特算法估计DoA时，能够有效地抑制由低信噪比产生的错误的量化位，从而保证单比特DoA估计的稳健性，进一步提升在低信噪比环境下单比特量化DoA估计的准确性。的准确性。的准确性。

【技术实现步骤摘要】
基于单比特量化天线阵列的到达角估计方法及相关设备


[0001]本专利技术涉及电子信息
，尤其涉及基于单比特量化天线阵列的到达角估计方法及相关设备。

技术介绍

[0002]随着雷达系统的天线规模和接收带宽不断提升，由高精度和高速采样产生的海量数据给数字化雷达带来了巨大的存储、传输和处理压力，这已成为了主要的限制因素。同时，雷达系统正向小型化平台，例如无人机、微型卫星和智能汽车等趋势发展，系统资源的限制因此变得更加严格。如何提升系统资源的使用效率已经变成雷达领域当前的研究焦点。
[0003]单比特压缩采样极大简化了模拟至数字转换（Analog
‑
to
‑
Digital Converter，ADC）的过程，它只保留每个测量值的符号信息，这不仅能够减轻高速ADC的压力，还能降低总体数据量，进一步减轻数据存储和处理的负担。在硬件方面，单比特ADC（即单比特模拟数字转换器）可以简化为一个比较器，使得数据采集速度更快、功耗更低，这种优势明显，能有效地简化系统、减低成本和提高效率。单比特雷达是一种新型的雷达系统，它采用单比特ADC进行数据采集，能在降低雷达系统的尺寸、成本和能耗的同时，实现与传统雷达类似的功能，这种方法具有突破系统资源限制的显著优势。
[0004]到达角（DoA，Direction
‑
of
‑
arrival））估计是雷达系统中常用的技术。单比特DoA估计通过仅利用阵列信号的符号位，有效地获得信号源的角度信息。由于其对数据采集和存储系统的要求相对较低，这种技术在雷达和通信领域引起了广泛的关注。目前的单比特DOA估计方法包括基于协方差矩阵重建的波束形成、单比特多信号分类（MUSIC）、复值二元迭代硬阈值算法（CBIHT）、固定点连续（FPC）算法、基于FPC的深度学习、支持向量机，单特联合稀疏表示方法、迭代秩最小化，以及专用于稀疏线性阵列的MUSIC、L形阵列的广义近似消息传递，以及广义稀疏贝叶斯学习算法等。
[0005]然而，这些方法在错误量化位数（例如：
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5 在单比特量化后应该是
‑
1，如果是1，称为一个错误量化位，在一个信号中，所有量化错误的数量称之为错误量化位数）较少的情况下能够取得较好的性能，但当错误量化位数增加时，它们的估计性能会严重下降（因为目前算法的损失函数无法抑制错误量化位引入的噪声，因为它们没有分析量化后噪声的分布）。在实际应用中，雷达信号的信噪比通常比较低，例如（
‑
20dB），这会导致较多的错误量化位。因此，为了保证单比特DoA估计的稳健性，必须考虑低信噪比的情况。
[0006]目前的问题在于，基于单比特DoA估计的模型无法准确描述噪声分布。尽管噪声是加性的，但由于单比特量化操作的影响，噪声分布在观测信号中被遮蔽了。因此，现有的观测模型在处理强噪声环境下的数据时无能为力。
[0007]因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

[0008]本专利技术的主要目的在于提供一种基于单比特量化天线阵列的到达角估计方法、系统、终端及计算机可读存储介质，旨在解决现有技术中基于单比特DoA估计的模型无法准确描述噪声分布，从而无法有效地抑制由低信噪比产生的错误量化的问题。
[0009]为实现上述目的，本专利技术提供一种基于单比特量化天线阵列的到达角估计方法，所述基于单比特量化天线阵列的到达角估计方法包括如下步骤：当多个远场且不相关的窄带信号从不同的方向入射到均匀线性阵列接收器上时，天线单元接收离散时间复基带信号，将天线单元的输出信号表示为向量形式，将多个时刻的接收信号表示为矩阵形式，基于单比特模拟数字转换器将接收信号进行量化，将量化后的接收信号重新建模，得到新的接收信号模型；基于新的接收信号模型，选择满足预设要求的范数刻画单比特量化后的噪声矩阵的特性，获得优化问题的约束条件或惩罚项，得到优化目标函数；将优化目标函数中的第一目标函数替换为第二目标函数，得到新的优化目标函数，所述第二目标函数为下半连续函数；根据新的优化目标函数，采用近端交替最小化法和梯度下降算法求解优化问题，得到目标回波信号的入射角。
[0010]可选地，所述的基于单比特量化天线阵列的到达角估计方法，其中，所述均匀线性阵列接收器由M个天线单元组成，天线单元间距为，且满足，其中是入射信号的波长。
[0011]可选地，所述的基于单比特量化天线阵列的到达角估计方法，其中，所述当多个远场且不相关的窄带信号从不同的方向入射到均匀线性阵列接收器上时，天线单元接收离散时间复基带信号，将天线单元的输出信号表示为向量形式，将多个时刻的接收信号表示为矩阵形式，基于单比特模拟数字转换器将接收信号进行量化，将量化后的接收信号重新建模，得到新的接收信号模型，具体包括：若有个远场且不相关的窄带信号从不同的方向入射到均匀线性阵列接收器上，在时刻n，第m个天线单元接收到的离散时间复基带信号为：,（1）其中，表示第m个天线单元在时刻n接收到的离散时间复基带信号，表示第q个信号源，，表示虚数单位，表示加性噪声，表示真实信号的波达方向角度；将M个天线单元在时刻n的输出信号表示为向量形式：,（2）其中，，表示长度为M的接收信号向量；H表
示厄密共轭转置，表示复数域；，表示长度为的信源向量；表示第个信号源；，表示长度为M的噪声向量；表示加性噪声；是阵列流形矩阵，表示为：，（3）其中，表示真实信号的波达方向角度，是阵列的导向矢量，表示为：，（4）若快拍数为N，接收信号表示为矩阵形式，如下：，（5）其中，是维度为的接收矩阵信号，是维度为的矩阵，是维度为的矩阵，表示噪声矩阵；单比特模拟数字转换器量化后的信号表示为：，（6）其中，，表示取复数的实部，表示取复数的虚部，csgn()表示复数的单比特量化函数sign()；若是一个完备向量，，其中Q个元素是从到均匀采样的值，定义基于的信号矩阵：；将表达式（6）中的和分别替换为和，得到如下等式：，（7）其中，是行稀疏矩阵，稀疏度为；将量化后的信号（7）重新建模得到新的接收信号模型为：，（8）其中，为量化后的噪声矩阵，它的元素取值为。
[0012]可选地，所述的基于单比特量化天线阵列的到达角估计方法，其中，所述基于新的接收信号模型，选择满足预设要求的范数刻画单比特量化后的噪声矩阵的特性，获得优化问题的约束条件或惩罚项，得到优化目标函数，具体包括：
使用
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范数约束，使得满足稀疏特性，使用
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范数约束，使得满足行稀疏特性，将优化目标函数表述为：，（9）其中，和分别是目标的个数和错误量化位数；将优化问题（9）转化为带惩罚项的优化问题，得到优化目标函数：，（10）其中，，表示惩罚参数，用于控制的稀疏度。
[0013]可选地，所述的基于单比特量化天线阵列的到达角估计方法，其中，所述第一目标函数为sign()函数，所述第二目标函数tanh()函数；所述将优化目标函数中的第一目标函数替换为第二目标函数，得到新的优化目标函数，所述第二本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单比特量化天线阵列的到达角估计方法，其特征在于，所述基于单比特量化天线阵列的到达角估计方法包括：当多个远场且不相关的窄带信号从不同的方向入射到均匀线性阵列接收器上时，天线单元接收离散时间复基带信号，将天线单元的输出信号表示为向量形式，将多个时刻的接收信号表示为矩阵形式，基于单比特模拟数字转换器将接收信号进行量化，将量化后的接收信号重新建模，得到新的接收信号模型；基于新的接收信号模型，选择满足预设要求的范数刻画单比特量化后的噪声矩阵的特性，获得优化问题的约束条件或惩罚项，得到优化目标函数；将优化目标函数中的第一目标函数替换为第二目标函数，得到新的优化目标函数，所述第二目标函数为下半连续函数；根据新的优化目标函数，采用近端交替最小化法和梯度下降算法求解优化问题，得到目标回波信号的入射角。2.根据权利要求1所述的基于单比特量化天线阵列的到达角估计方法，其特征在于，所述均匀线性阵列接收器由M个天线单元组成，天线单元间距为，且满足，其中是入射信号的波长。3.根据权利要求2所述的基于单比特量化天线阵列的到达角估计方法，其特征在于，所述当多个远场且不相关的窄带信号从不同的方向入射到均匀线性阵列接收器上时，天线单元接收离散时间复基带信号，将天线单元的输出信号表示为向量形式，将多个时刻的接收信号表示为矩阵形式，基于单比特模拟数字转换器将接收信号进行量化，将量化后的接收信号重新建模，得到新的接收信号模型，具体包括：若有个远场且不相关的窄带信号从不同的方向入射到均匀线性阵列接收器上，在时刻n，第m个天线单元接收到的离散时间复基带信号为：,（1）其中，表示第m个天线单元在时刻n接收到的离散时间复基带信号，表示第q个信号源，，表示虚数单位，表示加性噪声，表示真实信号的波达方向角度；将M个天线单元在时刻n的输出信号表示为向量形式：,（2）其中，，表示长度为M的接收信号向量；H表示厄密共轭转置，表示复数域；，表示长度为的信源向量；表示第个信号源；
，表示长度为M的噪声向量；表示加性噪声；是阵列流形矩阵，表示为：，（3）其中，表示真实信号的波达方向角度，是阵列的导向矢量，表示为：，（4）若快拍数为N，接收信号表示为矩阵形式，如下：，（5）其中，是维度为的接收矩阵信号，是维度为的矩阵，是维度为的矩阵，表示噪声矩阵；单比特模拟数字转换器量化后的信号表示为：，（6）其中，，表示取复数的实部，表示取复数的虚部，csgn()表示复数的单比特量化函数sign()；若是一个完备向量，，其中Q个元素是从到均匀采样的值，定义基于的信号矩阵：；将表达式（6）中的和分别替换为和，得到如下等式：，（7）其中，是行稀疏矩阵，稀疏度为；将量化后的信号（7）重新建模得到新的接收信号模型为：，（8）其中，为量化后的噪声矩阵，它的元素取值为。4.根据权利要求3所述的基于单比特量化天线阵列的到达角估计方法，其特征在于，所述基于新的接收信号模型，选择满足预设要求的范数刻画单比特量化后的噪声矩阵的特性，获得优化问题的约束条件或惩罚项，得到优化目标函数，具体包括：使用
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范数约束，使得满足稀疏特性，使用
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范数约束，使得满足行稀疏特性，将优化目标函数表述为：，（9）其中，和分别是目标的个数和错误量化位数；
将优化问题（9）转化为带惩罚项的优化问题，得到优化目标函数：，（10）其中，，表示惩罚参...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓鹏，黄磊，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：