基于旋轉均勻圓陣的近場源參數估計解模糊方法技術

本發明專利技術涉及一種基于旋轉均勻圓陣的近場源參數估計解模糊方法。解決現有方法對中心頻率較高的近場輻射源進行三維參數估計時出現的相位模糊問題。首先，為了對旋轉前后兩組觀測數據進行配準，在圓陣中心設置參考陣元并利用其初始相位差對其他陣元數據進行相位補償；隨后，在通過復共軛積計算各陣元旋轉前后無模糊相位差的基礎上，使用最小二乘法反演出近場源的方位、俯仰和距離。不需進行多維搜索和構造高階累積量，有效減小計算復雜度。只需要將均勻圓陣逆時針旋轉一個小角度，該角度的選擇范圍可由接收數據估計出的近場源頻率獲得；系統結構簡單，工程上易于實現。

Fuzzy method for parameter estimation of near field source based on rotating uniform circular array

The invention relates to a method for estimating the parameters of a near field source based on a rotating uniform circular array. The problem of phase ambiguity in the estimation of 3D parameters of a near field radiation source with higher central frequency is solved. First of all, in order to carry out the registration of two groups of observation data before and after rotation, the circle center set a reference array and the initial phase difference of phase compensation to other array metadata; then, in the calculation of complex conjugate product of each element before and after rotation based fuzzy phase difference, inverse position, near field source pitch and distance using the least square method. There is no need for multi-dimensional search and construction of higher order cumulants, which can effectively reduce the computational complexity. It is only necessary to rotate a uniform circular array counterclockwise to a small angle, and the range of selection of the angle can be obtained by the frequency of the near field source estimated by the received data. The system is simple in structure and easy to implement in engineering.

【技術實現步驟摘要】
基于旋轉均勻圓陣的近場源參數估計解模糊方法
本專利技術屬于陣列信號處理
，特別是涉及一種均勻圓陣下近場源參數估計解模糊方法，可用于近場源目標精確定位。
技術介紹
信號源參數估計一直是陣列信號領域的重要研究問題之一。根據信號源與陣列之間的距離遠近，可以將其分為遠場源和近場源。其中，遠場源遠離接收陣列，相對于陣列孔徑處于遠場，信號到達各個陣元的波前假定為平面波，近場源空間位置由波達方向參數確定；近場源處于陣列的菲涅耳區(近場區)，信號波前近似為球面波，其空間位置由距離和波達方向參數聯合確定。均勻圓陣相對其他陣列結構具有全方位角覆蓋、幾乎不變的方向圖以及額外的俯仰角信息等優點，因此基于均勻圓陣的近場源參數估計引起了國內外相關學者的廣泛研究。J.H.Lee等在論文《Algebraicpath-followingalgorithmforlocalizing3-Dnear-fieldsourcesinuniformcirculararray》(ElectronicsLetters.2003,37(17):pp.1283-1285)中提出采用三維MUSIC(MultipleSingleClassificationMethod)譜峰搜索算法分別對方位角、俯仰角和距離進行估計，雖然其定位精度較高，但計算復雜度較大。王偉等在論文《基于相位差的均勻圓陣DOA估計新方法》(系統工程與電子技術，2012，34(10))中通過均勻圓陣相鄰陣元接收信號相位差，推導出其與方位角和俯仰角的關系，進而給出二維參數估計的閉式解，但算法沒有考慮對距離參數的估計，且魯棒性不強。吳云濤等在論文《Fastalgorithmforthree-dimensionalsinglenear-fieldsourcelocalizationwithuniformcirculararray》(IEEECIEInternationalConferenceonRadar，2011，1)中利用均勻圓陣結構的特殊性，通過兩對相關序列的復共軛積結合最小二乘算法分別得到角度和距離的估計，盡管算法相對MUSIC算法計算量顯著減小且精度較高，但限制了陣元個數。Tae-JinJung等在論文《Closed-FormAlgorithmfor3-DSingle-SourceLocalizationWithUniformCircularArray》(IEEEAntennasAndWirelessPropagationLetters.2014,13:pp.1096-1099)利用不同陣元接收信號的相位差與近場源位置之間的對應關系，基于最小二乘算法提出了一種具有閉式解的近場源三維參數估計方法，該算法在保證一定的估計精度前提下大幅降低了計算復雜度，具有較強的實用性。然而，上述方法能夠實現近場源三維參數精確估計的前提條件是陣元間的最短距離小于信號源的半波長。在陣列固定的實際應用中，中心頻率較高的近場輻射源如果不滿足這一前提條件，則會出現相位模糊現象，導致近場源三維參數估計不準確，因此必須發展能夠解決相位模糊的近場源三維參數估計方法。
技術實現思路
本專利技術提出一種基于旋轉均勻圓陣的近場源參數估計解模糊方法，解決現有方法對中心頻率較高的近場輻射源進行三維參數估計時出現的相位模糊問題。實現本專利技術目的的技術思路是：首先，為了對旋轉前后兩組觀測數據進行配準，在圓陣中心設置參考陣元并利用其初始相位差對其他陣元數據進行相位補償；隨后，在通過復共軛積計算各陣元旋轉前后無模糊相位差的基礎上，使用最小二乘法反演出近場源的方位、俯仰和距離。根據上述思路，本專利技術的技術方案包括如下步驟：(1)定義旋轉前后均勻圓陣的接收數據：其中，m＝0,...,M，n＝1,...,N，M為陣元個數，N為快拍數，l＝1,2分別代表旋轉前后的接收數據，sl(n)為零均值的復窄帶信號，噪聲是零均值復白高斯過程且和近場源相互獨立，λ是近場源的波長，φ,θ,r分別對應近場源的方位角、俯仰角和距離，是近場源和第m個陣元間的距離，它可以寫成如下的形式：其中，R是均勻圓陣的半徑，由于R/rp≈0，二階泰勒展開可以對rm(φ,θ,r),m＝1,2,...,M作近似估計得到：整理可得(2)利用中心陣元旋轉前后位置不變，計算其兩組接收數據的初始相位差得到：其中，(·)*表示復共軛，對第二組陣元接收數據進行相位補償后得到：其中，m＝1,2,...,M；(3)經過相位補償后，計算同一陣元旋轉前后接收數據的復共軛積得到：其中，中間變量計算Rm的相位可以得到：(4)為保證不會出現相位模糊，相位差um需要滿足um∈[-π,π)。um經過和差化積可以化簡為其中，由于R/r≈0，可進一步化簡得再根據|um′|≤π，可得其中，c是光速，f是近場源的頻率；(5)um可以表示成：其中，(·)T代表轉置運算，um還可以表示成矩陣相乘的形式：u＝Ab其中，u＝[u1u2…uM]T，(6)采用最小二乘法可以得到b的估計通過數學計算可以從b中計算出方位角、俯仰角、距離等參數信息，本專利技術的有益效果：1、本專利技術利用旋轉均勻圓陣形成虛擬短基線來解固定陣列大小下超過閾值頻率的近場源參數估計中的相位模糊；利用中心陣元旋轉前后位置不變，計算其初始相位差來對旋轉前后接收數據進行相位補償，經過相位補償后的相位差結合最小二乘估計，可以得到近場源三維參數估計的閉式解，因而不需進行多維搜索和構造高階累積量，有效減小計算復雜度；2、本專利技術只需要將均勻圓陣逆時針旋轉一個小角度，該角度的選擇范圍可由接收數據估計出的近場源頻率獲得；系統結構簡單，工程上易于實現；3、實驗結果表明，本專利技術相對于相位差參數估計算法，能夠解高頻近場源參數估計的相位模糊，無模糊估計的近場源頻率范圍較廣。附圖說明圖1是本專利技術的實現流程圖；圖2是本專利技術所用的旋轉均勻圓陣幾何配置圖；圖3-圖5是本專利技術對近場源三維參數估計的直方圖分布圖；圖6-圖8是本專利技術與相位差反演近場源參數估計算法的RMSEs隨信噪比SNR變化曲線對比圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術進一步說明：參照圖2，本專利技術所用的旋轉均勻圓陣的幾何配置為：圓陣由13個陣元組成，其中圓陣中心處設置一參考陣元，其余陣元均勻分布在圓陣上，R是均勻圓陣的半徑，λ是近場源的波長，φ,θ,r分別對應近場源的方位角、俯仰角和距離，φ1是均勻圓陣在xy平面上繞z軸逆時針旋轉的小角度。參照圖1，本專利技術的具體實現步驟如下：步驟1，定義旋轉前后均勻圓陣的接收數據利用圖2所示的旋轉均勻圓陣結構，陣元旋轉前后兩組接收數據為：其中，m＝0,…,M，n＝1,…,N，N為快拍數，l＝1,2分別代表旋轉前后的接收數據，sl(n)為零均值的復窄帶信號，其功率為E[]為期望運算符；噪聲是零均值復白高斯過程且和近場源相互獨立；是近場源和第m個陣元間的距離，它可以寫成如下的形式：其中，由于R/rp≈0，二階泰勒展開可以對rm(φ,θ,r),m＝1,2,...,M作近似估計得到：整理可得步驟2，計算旋轉角度的取值范圍根據接收數據的頻譜得到近場源的頻率，隨后計算得到旋轉角度的取值范圍其中，c是光速，f是近場源的頻率；步驟3，計算旋轉前后初始相位差選擇合理的旋轉角度φ1，均勻圓陣繞z軸逆時針旋轉φ1度后，利用中心陣元旋本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于旋轉均勻圓陣的近場源參數估計解模糊方法，解決現有方法對中心頻率較高的近場輻射源進行三維參數估計時出現的相位模糊問題，其特征在于，首先，為了對旋轉前后兩組觀測數據進行配準，在圓陣中心設置參考陣元并利用其初始相位差對其他陣元數據進行相位補償；隨后，在通過復共軛積計算各陣元旋轉前后無模糊相位差的基礎上，使用最小二乘法反演出近場源的方位、俯仰和距離，具體步驟如下：步驟1，定義旋轉前后均勻圓陣的接收數據；步驟2，計算旋轉角度的取值范圍；步驟3，計算旋轉前后初始相位差；步驟4，利用得到的初始相位差對圓陣上陣元接收數據進行相位補償；步驟5，計算相位補償后，計算同一陣元旋轉前后的相位差；步驟6，采用最小二乘法得到近場源的三維參數估計的閉式解。

【技術特征摘要】
1.基于旋轉均勻圓陣的近場源參數估計解模糊方法，解決現有方法對中心頻率較高的近場輻射源進行三維參數估計時出現的相位模糊問題，其特征在于，首先，為了對旋轉前后兩組觀測數據進行配準，在圓陣中心設置參考陣元并利用其初始相位差對其他陣元數據進行相位補償；隨后，在通過復共軛積計算各陣元旋轉前后無模糊相位差的基礎上，使用最小二乘法反演出近場源的方位、俯仰和距離，具體步驟如下：步驟1，定義旋轉前后均勻圓陣的接收數據；步驟2，計算旋轉角度的取值范圍；步驟3，計算旋轉前后初始相位差；步驟4，利用得到的初始相位差對圓陣上陣元接收數據進行相位補償；步驟5，計算相位補償后，計算同一陣元旋轉前后的相位差；步驟6，采用最小二乘法得到近場源的三維參數估計的閉式解。2.根據權利要求1所述的基于旋轉均勻圓陣的近場源參數估計解模糊方法，其特征在于，所述步驟1具體為：定義旋轉前后均勻圓陣的接收數據：其中，m＝0,...,M，n＝1,...,N，N為快拍數，l＝1,2分別代表旋轉前后的接收數據，sl(n)為零均值的復窄帶信號，噪聲是零均值復白高斯過程且和近場源相互獨立，λ是近場源的波長，φ,θ,r分別對應近場源的方位角、俯仰角和距離，是近場源和第m個陣元間的距離，它寫成如下的形式：其中，R是均勻圓陣的半徑，由于R/rp≈0，二階泰勒展開對rm(φ,θ,r),m＝1,2,...,M作近似估計得到：整理得3.根據權利要求1所述的基于旋轉均勻圓陣的近場源參數估計解模糊方法，其特征在于，所述步驟2具體為：根據接收數據的頻譜得到近場源的頻率，隨后計算得到旋轉角度的取值范圍其中，c是光速，f是近場源的頻率。4.根據...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳鑫，劉振，魏璽章，
申請(專利權)人：中國人民解放軍國防科學技術大學，
類型：發明
國別省市：湖南,43