一种空间谱谱峰搜索方法技术

一种空间谱谱峰搜索方法，其步骤包括：第一步，确定一个门限值Ｇ；第二步，进行多次大步进谱峰搜索，确定Ｍ个邻域；第三步，在每个邻域范围内，进行小步进搜索，每个邻域内谱峰对应搜索值就是信号波达方向估计值。方法适用于阵元个数为Ｎ的均匀线阵，信号个数Ｍ小于阵元个数，信号是远场窄带不相干的。新方法使用较少运算量的同时，保证了搜索精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及阵列信号处理中的信号波达方向估计，尤其是信号空间谱谱峰 搜索方法。
技术介绍
信号的波达方向估计是阵列信号处理中一个重要研究内容，广泛应用于雷 达，通信，声纳系统中。假设阵列天线为一个W个阵元的均匀线阵，阵元间距 为半个波长。空间具有M个窄带不相干的同频率远场信号分别为&W，…， ^-，(小其波达方向对应为A， ， ^^。从而，阵列接收信号矢量可以表示为^) = ^、(0^m)+"《)，其中，矢量v&)是信号^(f)对应的方向矢量，由信号波m=0达方向&决定，"《)为阵列接收的热噪声矢量。波达方向估计，就是通过对接收 信号矢量xW进行信号处理，得到一个空间谱函数^^。然后在0 180度范围 内变化P，计算对应谱值/^)，而i^)的M个局部最大值就是谱峰，M个谱峰对 应的M个6就是信号波达方向估计值。延迟相加法，Capon算法，MUSIC算法， 子空间拟合算法是常用的波达方向估计算法。这些不同的算法，空间谱函数P(力 定义不同。但是，在确定了/^)后，搜索出谱峰的方法是相同的。通常方法为直 接小步进搜索，就是确定一个步长w印—/。w，然后在0 180度范围内，分别计 算O,他p—/似"2we/ _/"w，…，这些点的谱值，然后取其中M个局部最大值作 为谱峰，而对应的搜索角度就是信号波达方向估计值。此时，估计精度决定于 搜索步长加P一/aw，步长越小，精度越高，但相应需要计算的谱值数量也增加， 从而运算量增加。所以，传统的谱峰搜索方法在搜索精度与运算量间是相互矛 盾的。
技术实现思路
为了能够克服空间谱谱峰搜索精度和运算量间的矛盾，采用本专利技术的一种 空间谱谱峰搜索方法。方法针对均匀线阵，阵元数为W，阵元间距半个波长，空间信号个数M小 于iV，信号是远场不相干窄带信号。在进行谱峰搜索之前，采用一定的空间谱 估计算法，得到了空间谱的表达式P(句和信号个数估计值M。而谱峰搜索方法 包括如下步骤-第一步，在0 180度范围内，等间距选择丄个值^，...，^,，要求丄大于M， 并把这些值代入空间谱计算公式户的，计算出这些值对应的￡个谱值尸(^…，尸d)，进而确定门限值G = f第二步，在0 180度范围内，进行第1次大步进谱峰搜索，搜索步长为舰p ; 把点O, W印，2他p，…代入空间谱计算公式户(力，计算出这些值对应的谱值， 并把谱值同门限G进行比较。第三步，假设第二步计算出的谱值有m,个大于门限，则记录下这些谱值对 应的搜索角度《，并以《为中心，构成一个邻域W-，其中hl，...,;n,。第四步，在0 180度范围内，进行第y次大步进谱峰搜索，搜索步长为,；■/仿照第二步和第三步方法，通过把搜索谱值同门限比较，得到m,个以《为中心 的邻域[//=|^/-s,^+d ，其中/ = 1,...，/^;第五步，计算所有已经确定邻域个数附1+... +附,，如果等于信号个数M，则 执行第六步，否则，执行第四步进行y + l次大步进搜索；第六步，在每个邻域范围内，进行小步进搜索，每个邻域内谱峰对应搜索 值就是信号波达方向估计值。本专利技术的有益效果是，由于只是在谱峰存在的小范围邻域内才进行小步进 搜索，而绝大部分搜索范围都是大步进搜索，所以，既保证了搜索精度，同时 也大大减少了运算量。附图说明图1是本专利技术的空间谱谱峰搜索方法的流程图； 图2是阵列接收信号的示意图3是MUSIC算法下传统谱峰搜索方法的空间谱图4是MUSIC算法下新专利技术的谱峰搜索方法的空间谱具体实施例从图1所示的方法流程图可以看出，进行谱峰搜索之前，要对接收信号进 行信号处理，计算出空间谱函数P^)和估计出信号个数M。假设系统是一个均 匀线阵，如图2所示，阵元间距J等于半个波长，阵元个数W，信号个数M， 而且信号是远场不相干的窄带信号，第!'个信号的波达方向《.如图所示，可见信 号的波达方向角度范围为0 180度。空间谱估计的各种算法中，MUSIC算法使用最为广泛。如果采用MUSIC 算法进行空间谱估计，则首先通过接收信号矢量的K次快拍4))， ...， x(K-l)构 成的数据矩阵AT-，估计出协方差矩阵及^+X^。对协方差矩 阵A进行特征分解，得到M个较大特征值A。，…，；i『和iV-M个较小特征值 &， ...， 4—,，以及对应特征向量^， " = 0， ...， iV-l。利用特征分解得到的 特征值和特征向量，采用已有的信源个数估计方法，可以估计出信号个数M。而MUSIC算法下的空间谱函数也可以表示为,)=^^^，其中，+)是方向矢量表达式，e表示噪声子空间上的正交投影估计，也就是协方差矩阵^的M个较小的特征值所对应的特征向量构成的矩阵。可见，空间谱函数尸(句是 一个搜索角度^的函数，范围0 180度。但有时为了表示方便，也可以把空间谱表示为搜索角度正弦"-sin的的函数,)，此时搜索范围为-l + l。图3是一个A^10的均匀线阵，在空间具有3个信号时候的MUSIC算法下空间谱的示意图。横坐标是搜索角度e的正弦值"-sin(力，纵坐标是空间谱值。可以看出，谱峰所在位置，其实只是一个很小的范围。只要在这些小范围内进行小步进搜索，就可以保证搜索精度。根据前面的假设，在本专利技术的实施例中，谱峰搜索方法的第一步是根据信号个数M-3，计算丄=4个搜索角度对应谱值，艮卩尸(-l)，尸(-0.5)，尸(O)， P(0.5)，从而确定门限为G = "+P(一0.5)+,)+,.5)。4第二步，进行第一次大步进搜索。此时，取步长饰p-0.2，这个歩长要远大 于谱峰宽度，把各个搜索点代入空间谱表达式，计算P(-1)，尸(-0.8)， P(-0.6)，…， 这些搜索点如图4中的"*"所示。所以这些谱值中，有一个谱值户(-0.8)大于门限。第三步，根据第二步结果，记录m, =1，而^(《)--0.8，从而确定一个谱峰 所在邻域为W-[-0.9, -0.7。第四步，进行第二次大步进搜索，步长为^ = 0.1，但由于某些点在第一次搜索时已经完成，所以，只考虑新增搜索点的谱值，这些新增搜索点如图4中"o" 所示。同样同门限相比较，有两个点谱值大于门限。记录附2=2，而sin^^0.1， 确定邻域为fA、， Sin(《)=0.7，确定邻域为"22=。第五步，计算^+附2，由于等于信号个数3，所以已经找出全部谱峰所在邻域。第六步，对每个邻域进行小步进搜索，取步长W印」m 0.01，计算出准确谱峰，并估计出对应的信号波达方向，如图4中实线部分所示。上述步骤，搜索精度由w印一/flW决定，随着他p—tof减小，由于只有在邻 域内才进行小步进搜索，也就是只有第六步才使运算量略有增加，这相对于传 统谱峰搜索方法，运算量要小很多。8权利要求1、，其步骤中包括第一步，确定一个门限值G；第二步，在0～180度范围内，进行第1次大步进谱峰搜索，搜索步长为step；把点0，step，2step，…代入空间谱计算公式P(θ)，计算出这些值对应的谱值，并把谱值同门限G进行比较；第三步，假设第二步计算出的谱值有m1个大于门限，则记录下这些谱值对应的搜索角度并以为中心，构成一个邻域其中i＝1，...，m1；第四步，在0～180度范围内，进行第j次大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空间谱谱峰搜索方法，其步骤中包括：　第一步，确定一个门限值Ｇ；　第二步，在０～１８０度范围内，进行第１次大步进谱峰搜索，搜索步长为ｓｔｅｐ；把点０，ｓｔｅｐ，２ｓｔｅｐ，…代入空间谱计算公式Ｐ（θ），计算出这些值对应的谱值，并把谱值同门限Ｇ进行比较；　第三步，假设第二步计算出的谱值有ｍ↓［１］个大于门限，则记录下这些谱值对应的搜索角度并以为中心，构成一个邻域Ｕ↓［ｉ］↑［１］＝「θ↓［ｉ］↑［１］－ε，θ↓［ｉ］↑［１］＋ε」，其中ｉ＝１，．．．，ｍ↓［１］；　第四步，在０～１８０度范围内，进行第ｊ次大步进谱峰搜索，搜索步长为ｓｔｅｐ／ｊ；仿照第二步和第三步方法，通过把搜索谱值同门限比较，得到ｍ↓［ｊ］个以θ↓［ｉ］↑［ｊ］为中心的邻域Ｕ↓［ｉ］↑［ｊ］＝「θ↓［ｉ］↑［ｊ］－ε，θ↓［ｉ］↑［ｊ］＋ε」其中ｉ＝１，．．．，ｍ↓［ｊ］；　第五步，计算所有已经确定邻域个数ｍ↓［１］＋．．．＋ｍ↓［ｊ］，如果等于信号个数Ｍ，则执行第六步，否则，执行第四步，进行ｊ＋１次大步进搜索；　第六步，在每个邻域范围内，进行小步进搜索，每个邻域内谱峰对应搜索值就是信号波达方向估计值。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曾浩，张迎辉，张雷，吴玉成，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]