基于非圆稀疏阵列设计的运动单站加权范数直接定位方法技术

本发明专利技术涉及一种基于非圆稀疏阵列设计的运动单站加权范数直接定位方法，属于信号处理领域。包括建立信号接收模型和虚拟阵列模型；依据非圆特性，设计一种具有高自由度低互耦特性的稀疏线阵；根据所建立的信号接收模型，推导出基于非圆信号的运动单站直接定位信号模型；结合所设计的稀疏线阵，设计基于运动单站的加权l0范数直接定位方法。本发明专利技术方法大大提高了阵列自由度和虚拟孔径，在多目标欠定条件下，可显著提高定位目标的个数和定位的估计性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
基于非圆稀疏阵列设计的运动单站加权范数直接定位方法


[0001]本专利技术属于信号处理领域，涉及一种运动单站直接定位方法，具体涉及基于设计的稀疏阵列，利用加权l0范数对目标直接定位的方法。

技术介绍

[0002]基于阵列天线的运动平台无源定位近年来受到广泛关注，其应用领域包括通信、水声定位、辐射源跟踪等领域。两步定位是无源定位中最常用的技术之一，但该方法是一种次优解，因为它忽略了第一步中产生的内部误差，这也限制了它的进一步发展，并且在低信噪比条件下的定位精度较低。
[0003]目前，大多数定位算法使用的阵列天线依然是均匀线阵，然而，传统的均匀线阵只适用于过定估计，目标个数小于阵元个数的情况，并且阵元间距小也会导致严重的互耦效应，为了定位多个目标，一般方法是使用更多的天线阵元，但这增加了硬件成本和复杂性。
[0004]相比于使用传统均匀线阵的两步定位方法，基于稀疏阵列的运动单站直接定位方法具有更加优异的性能，稀疏阵列的引入可以获得更高的自由度和阵列孔径，考虑到非圆信号场景，可以设计一种适用于非圆体制的稀疏阵列，能够得到更多的连续自由度，同时降低了阵列互耦效应。随后，结合设计的稀疏线阵，如何设计一种具有高精度定位性能的直接定位方法成为一个值得研究的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是：
[0006]为了解决在非圆信号条件下，基于设计的稀疏线阵，利用运动单站加权l0范数直接定位方法进行欠定目标的定位问题，同时实现了阵列的自由度和虚拟阵列孔径扩展，定位精度和分辨率提升的目的。本专利技术提供一种运动单站加权l0范数直接定位方法。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种基于非圆稀疏阵列设计的运动单站加权范数直接定位方法，其特征在于步骤如下：
[0009]步骤1：建立信号接收模型和虚拟阵列模型；
[0010]步骤2：依据非圆特性，设计一种具有高自由度低互耦特性的稀疏线阵；
[0011]步骤3：根据步骤1中所建立的信号接收模型，推导出基于非圆信号的运动单站直接定位信号模型；
[0012]步骤4：结合步骤2中稀疏线阵，设计基于运动单站的加权l0范数直接定位方法。
[0013]本专利技术进一步的技术方案：步骤1中所述的信号接收模型的建立过程如下：
[0014]假设空间中有M个窄带和不相关的非圆信号入射到一个移动站，定义观测点的坐标为其中L
i
＝[x
i y
i
]T
,i∈{1,...,M}；在第l个观测位置，第k个快拍接收到的信号表示为：
[0015]y
l
(k)＝A
l
(L)s
l
(k)+n
l
(k)
[0016]其中，s
l
(k)是信号包络，n
l
(k)代表的是高斯白噪声矢量，A
l
(L)＝[a
l
(L1),a
l
(L2),...,a
l
(L
M
)]则是阵列流形；为了获得虚拟阵列模型，接收信号y
l
(k)的协方差矩阵可以表示为：
[0017][0018]其中，是信号协方差矩阵，g
l,i
代表第i个信源在第l个观测点的能量；在实际情况中，协方差矩阵只能通过有限的快拍数来形成，具体写为：
[0019][0020]协方差矩阵拉直后得到列矢量：
[0021][0022]列矢量中每个元素对应了一个虚拟阵元位置，去除冗余项后，可以获得完整的虚拟阵列结构，在非圆场景下，虚拟阵元的集合也可以称为和差集，是设计稀疏阵列的基础。
[0023]本专利技术进一步的技术方案：步骤2具所述的稀疏线阵具体如下：
[0024]阵列中阵元间距为半波长的整数倍，假设阵元个数为Q＝M+N+p，其中M、N、p均为正整数；该阵型由三个子阵组成，子阵的具体排布位置如下：
[0025][0026][0027][0028]其中i1∈[0,M],i2∈[1,N
‑
1]和i3∈[0,p
‑
1]；因此，整个阵列的阵元位置表示为
[0029]L＝L1∪L2∪L3。
[0030]本专利技术进一步的技术方案：步骤3具体如下：
[0031]考虑到非圆信号特性，信号包络还可以表示为s
l
(k)＝Ψs
l,0
(k)；其中，为非圆相位；
[0032]阵列接收信号模型改写为：y
l
(k)＝A
l
(L)Ψs
l,0
(k)+n
l
(k)
[0033]扩展阵列接收的信号模型：
[0034][0035]其中，上式进一步简化为：
[0036]Z
l
(k)＝A
l
(L,Ψ)s
l
(k)+N
l
(k)
[0037]其中，
[0038][0039]本专利技术进一步的技术方案：步骤4具体如下：
[0040]对扩展后的接收信号协方差矩阵进行拉直，得到列矢量：
[0041][0042]其中其中是拉直后的噪声矢量，而A
l
(L,Ψ)是依据步骤2设计的稀疏线阵模型所得到的阵列流形；定义一个选择矩阵F来移除冗余的元素，表示为
[0043][0044]其中e
i
为一个(2M)2×
1的列矢量，除了在P
i
位置等于1，其余元素均为0；的取值为虚拟阵元的个数；显然F矩阵只与阵列的结构有关，通过上式，依据设计的稀疏阵列得到新的扩展的阵列流形
[0045]根据稀疏重构的算法，构造过完备的导向矢量字典A
l
(Θ)，具体表示为：
[0046][0047]其中其中表示划分格点的个数，下标l则表示的是第l个观测点；
[0048]显然在不同的观测点需要对应不同的过完备字典；因此，第l个观测点的接收信号表示为
[0049][0050]其中是一个稀疏的列矢量，只有在真实位置的地方才为1，其余位置的元素均为0，目标就是求解出中的非零值，从而得到真实目标的位置；
[0051]考虑到观测站为运动站，所以将每个观测点的接受数据进行联合的估计，具体表示为：
[0052][0053]其中O是一个零矩阵；
[0054]由于目标的位置是固定的，其所对应的索引也是不变的，因此定义代表联合的稀疏矢量；那么定位问题表示为：
[0055][0056]其中A(Θ)是联合所有观测站的过完备字典；
[0057]求解的目标是Λ
s
，并且||Λ
s
||0的值等价于列矢量中的非零元素个数，所以也可以写为：
[0058][0059]其中...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于非圆稀疏阵列设计的运动单站加权范数直接定位方法，其特征在于步骤如下：步骤1：建立信号接收模型和虚拟阵列模型；步骤2：依据非圆特性，设计一种具有高自由度低互耦特性的稀疏线阵；步骤3：根据步骤1中所建立的信号接收模型，推导出基于非圆信号的运动单站直接定位信号模型；步骤4：结合步骤2中稀疏线阵，设计基于运动单站的加权范数直接定位方法。2.根据权利要求1所述的基于非圆稀疏阵列设计的运动单站加权范数直接定位方法，其特征在于：步骤1中所述的信号接收模型的建立过程如下：假设空间中有M个窄带和不相关的非圆信号入射到一个移动站，定义观测点的坐标为其中L
i
＝[x
i y
i
]
T
,i∈{1,...,M}；在第l个观测位置，第k个快拍接收到的信号表示为：y
l
(k)＝A
l
(L)s
l
(k)+n
l
(k)其中，s
l
(k)是信号包络，n
l
(k)代表的是高斯白噪声矢量，A
l
(L)＝[a
l
(L1),a
l
(L2),...,a
l
(L
M
)]则是阵列流形；为了获得虚拟阵列模型，接收信号y
l
(k)的协方差矩阵可以表示为：其中，是信号协方差矩阵，g
l,i
代表第i个信源在第l个观测点的能量；在实际情况中，协方差矩阵只能通过有限的快拍数来形成，具体写为：协方差矩阵拉直后得到列矢量：列矢量中每个元素对应了一个虚拟阵元位置，去除冗余项后，可以获得完整的虚拟阵列结构，在非圆场景下，虚拟阵元的集合也可以称为和差集，是设计稀疏阵列的基础。3.根据权利要求2所述的基于非圆稀疏阵列设计的运动单站加权范数直接定位方法，其特征在于：步骤2具所述的稀疏线阵具体如下：阵列中阵元间距为半波长的整数倍，假设阵元个数为Q＝M+N+p，其中M、N、p均为正整数；该阵型由三个子阵组成，子阵的具体排布位置如下：数；该阵型由三个子阵组成，子阵的具体排布位置如下：
其中i1∈[0,M],i2∈[1,N
‑
1]和i3∈[0,p
‑
1]；因此，整个阵列的阵元位置表示为L＝L1∪L2∪L3。4.根据权利要求3所述的基于非圆稀疏阵列设计的运动单站加权范数直接定位方法，其特征在于：步骤3具体如下：考虑到非圆信号特性，信号包络还可以表示为s
l
(k)＝Ψs
l,0
(k)；其中，为非圆相位；阵列接收信号模型改写为：y
l
(k)＝A
l
(L)Ψs
l,0
(k)+n
l
(k)扩展阵列接收的信号模型：其中，上式进一步简化为：其中，5.根据权利要求4所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪跃先，闫航齐，王伶，韩闯，宫延云，张兆林，杨欣，贺成艳，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：