一種3軸交叉陣列的DOA估計方法技術

本發明專利技術提出了一種基于SLS-NC-ESPRIT算法的3軸交叉陣列的DOA估計方法，適用于嚴格二階非圓(NC)信號的DOA的估計。不同于傳統的DOA估計算法，本發明專利技術提出的方法首先利用了信號的非圓特性，擴大了陣列的虛擬空間，提高了估計精度并使得可檢測信源數增加；其次利用了子陣列配置的重疊結構，考慮了信號子空間誤差的重疊性，利用結構最小二乘(SLS)方法有效地解決了3個交叉陣列軸方向上的旋轉不變方程；最后以增加約束條件的形式保證了3個軸方向具有近似相同的特征矢量，從而解決了當來波信號在某一軸方向有相同投影時引入的秩虧問題，保證了算法的有效性，提供了更精確的DOA估計值。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及陣列信號處理
，尤其涉及一種3軸交叉陣列的DOA估計方法。?
技術介紹
來波信號DOA估計在雷達，聲納，移動通信和生物醫學成像等多個領域獲得了廣泛的應用。眾多用于解決高分辨率的DOA估計問題的技術已被提出，其中比較經典的技術有：極值搜索，多項式根，矩陣旋轉不變等。作為一種矩陣旋轉不變方法，ESPRIT算法能夠有效地利用信號子空間的旋轉不變特性計算出信號的DOA，并且可以給出解析解。通常，ESPRIT算法利用最小二乘(Least?Squares,LS)或總體最小二乘(Total?Least?Squares,TLS)求解DOA估計值，由于LS和TLS方法沒有考慮信號子空間重疊部分具有相同的誤差這一特點，使得得到的DOA估計值誤差較大。為了更好的利用模型具有的特殊結構信息，超定線性方程的結構化總體最小范數(Structured?Total?Least?Norm,STLN)算法被提出，假設信號模型為Ax≈b，其中A和b中可能存在誤差，STLN保留了A的仿射結構，例如，托普利茨、漢克爾等結構類型。由于ESPRIT算法的旋轉不變方程沒有STLN所需要的仿射結構，因此，STLN不適用于ESPRIT(Estimating?Signal?Parameters?via?Rotational?Invariance?Techniques)算法的求解。與STLN方法類似，SLS算法也忽略了殘余矩陣的展開式的二次項，通過仿真實驗可以發現，當涉及到重疊子陣列的配置時，SLS比LS和TLS獲得的DOA估計值更加精確。ESPRIT算法最初是為確定一維的方位問題提出的，估計范圍為[0,π]。為了解決二維的DOA估計問題，平面天線結構被利用，例如圓形、長方形和交叉型等陣列結構，這些陣列結構可以聯合估計出信號的方位角和俯仰角。由于交叉陣列的特殊結構，相比于其他多維均勻陣列結構，它可以提供一個較大的孔徑和更高的角度分辨率。?為了進一步提高DOA估計器的性能，除了考慮信號子空間重疊部分具有相同的誤差這一特點，還利用了信號在時域的特性，即NC特性。非圓信號如BPSK，OQPSK，PAM和ASK調制信號，已在許多現代通信系統中都有廣泛的應用。另外，當I/Q失調時，圓信號也會變為非圓信號，所以非圓信號在實際應用中是非常普遍的，如何利用信號的非圓特性，提高?DOA估計器的性能具有較高的研究價值。通過利用所接收信號的非圓特性，一些改進的基于子空間的DOA估計已經被提出，如NC-MUSIC，NC-root-MUSIC，NC-ESPRIT和NC-unitary?ESPRIT，NC-ESPRIT等算法，這類算法可以使陣列孔徑加倍，提高DOA估計的精度。?
技術實現思路
為了克服上述問題，利用信號子空間重疊部分具有相同的誤差擾動和到達信號的非圓特性，本專利技術提出了一種基于SLS-NC-ESPRIT算法的3軸交叉陣列DOA估計方法。由于旋轉不變等式(Shift-Invariant?Equations，SIEs)中重疊部分的信號子空間具有相同的誤差擾動，SLS算法能夠提供更精確的DOA估計。?本專利技術通過如下技術方案實現：?一種基于SLS-NC-ESPRIT算法的3軸交叉陣列的DOA估計方法，所述3軸交叉陣列由三個沿著x軸，y軸，z軸的線性子陣列以原點為幾何中心組成，所有的天線陣元都是獨立和等距的，3軸的陣元之間距離為δ，陣元數為M＝Mx+My+Mz，有d個遠場窄帶信號到達陣列，其中Mx,My,Mz分別表示在x，y，z軸方向的子陣列的包含的陣元個數；其特征在于：所述包括以下步驟：?1)x(t)表示接收樣本數據，利用信號非圓特性，得到擴張的測量數據向量x(nc)(t)=As(t)ΠMA*s*(t)+n(t)ΠMn*(t)=A(nc)s(t)+n(nc)(t),]]>其中ΠM為M×M的交換矩陣，該交換矩陣的反對角元素為1，其它元素為0，A為信號導向矢量矩陣，s(t)為信號矢量，n(t)為噪聲；?2)計算擴張的采樣協方差矩陣其中，X(nc)表示一個2M×N的接收數據矩陣，由N個采樣快拍數據x(nc)(tn)，1≤n≤N組成；?3)設Jξ1=[IMξ-1,0(Mξ-1)×1]Jξ2=[0(Mξ-1)×1,IMξ-1],]]>ξ∈{x,y,z本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于SLS?NC?ESPRIT算法的3軸交叉陣列的DOA估計方法，所述3軸交叉陣列由三個沿著x軸，y軸，z軸的線性子陣列以原點為幾何中心組成，所有的天線陣元都是獨立和等距的，3軸的陣元之間距離為δ，陣元數為M＝Mx+My+Mz，有d個遠場窄帶信號到達陣列，其中Mx,My,Mz分別表示在x，y，z軸方向的子陣列的包含的陣元個數；其特征在于：所述包括以下步驟：?1)x(t)表示接收樣本數據，利用信號非圓特性，得到擴張的測量數據向量其中ΠM為M×M的交換矩陣，該交換矩陣的反對角元素為1，其它元素為0，A為信號導向矢量矩陣，s(t)為信號矢量，n(t)為噪聲；2)計算擴張的采樣協方差矩陣其中，X(nc)表示一個2M×N的接收數據矩陣，由N個采樣快拍數據x(nc)(tn)，1≤n≤N組成；3)設ξ∈{x,y,z}，此時3軸交叉陣列具有最大重疊度的選擇矩陣如下：4)對擴張的采樣協方差矩陣做SVD分解得到信號子空間估計非圓信號的旋轉不變等式可表示為：對上式進行最小二乘法求解，得到作為γξ的初始估計，信號空間估計的初始值為5)改進的信號子空間估計可以表示為：得到殘差矩陣6)利用3軸分叉陣列的陣列矩陣γξ,ξ∈{x,y,z}具有相同的特征向量的特點建立矩陣F1,F2和F3：?F1＝γxγy?γyγx＝0d×dF2＝γyγz?γzγy＝0d×dF3＝γzγx?γxγz＝0d×d；?7)對于第k次迭代，殘余矩陣,F1,F2和F3可以表示為：?F1k＝γxkγyk?γykγxkF2k＝γykγzk?γzkγykF3k＝γzkγxk?γxkγzk；?8)第k+1次的迭代中殘余矩陣，F1,F2,F3可寫為：?9)建立代價函數：?其中，為在第k步驟中估計的信號子空間的誤差矩陣，γξk＝γξk?1+Δγξk?1,ξ∈{x,y,z}，vec{·}是向量化函數，10)判斷代價函數是否滿足如果滿足則認為收斂到最優解，停止迭代，其中ε為允許的最大誤差范圍；如果不滿足，則令k＝k+1，返回步驟9；11)將得到的最優解做EVD分解，得到μxp,μyp,μzp,p＝1,...,d的最優估計值其中，λ0為波長，θi,φi分別表示第i個信號的俯仰角和方位角；?12)根據d個θi,φi得到d個信源的DOA的估計值。...

【技術特征摘要】
1.一種基于SLS-NC-ESPRIT算法的3軸交叉陣列的DOA估計方法，所述3軸交叉陣列由三個沿著x軸，y軸，z軸的線性子陣列以原點為幾何中心組成，所有的天線陣元都是獨立和等距的，3軸的陣元之間距離為δ，陣元數為M＝Mx+My+Mz，有d個遠場窄帶信號到達陣列，其中Mx,My,Mz分別表示在x，y，z軸方向的子陣列的包含的陣元個數；其特征在于：所述包括以下步驟：?

【專利技術屬性】
技術研發人員：黃磊，石運梅，尤琳，王永華，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學深圳研究生院，
類型：發明
國別省市：廣東;44