CN102142879A - 自动配准的二维波达方向估计装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种自动配准的二维波达方向估计装置及其方法，通过纵向x向等距线性子阵列天线、竖直向z向等距线性子阵列天线、相关性矩阵计算装置、子空间估计装置以及到达方向估计装置相通信连接，利用子阵平均技术对入射信号解相干，同时对L阵列接受数据的互相关矩阵实施线性操作得到零空间，首先估计出到达方向的俯仰角，然后根据俯仰角估计出到达方向的方位角，该方法不需要进行特征值分解，而且避免了角度匹配的问题。

Description

自动配准的二维波达方向估计装置及其方法

技术领域

本发明涉及二维波达方向的估计装置及其方法，具体涉及一种自动配准的二维波达方向估计装置及其方法。

背景技术

近年来，对于使用自适应阵列天线的移动通信系统的研究和开发受到广泛关注。典型的阵列天线包括多个天线阵子，这些天线阵子设置在不同的空间位置，以使得这些天线阵子的轮廓具有特定的几何形状。对到达阵列天线的无线电波的方向进行估计是最基本也是非常重要的技术之一。

L型阵列在实际应用中有其独特的优点和长处。因此，研究基于L型阵列的信号到达方向是很有意义的。在L型阵列结构下要对信号进行估计需要计算出俯仰角和方位角。现有的利用特征值分解的方法存在计算量大的缺点，而且也需要额外的参数配对过程。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供自动配准的二维波达方向估计装置及其方法，通过首先估计出到达方向的俯仰角，然后根据俯仰角估计出到达方向的方位角，该方法不需要进行特征值分解，而且避免了角度匹配的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种自动配准的二维波达方向估计装置，包括直角折尺L形阵列天线，该直角折尺L形阵列天线为纵向x向等距线性子阵列天线1的一端和竖直向z向等距线性子阵列天线2的一端垂直连接构成，其中的纵向x向等距线性子阵列天线1包括沿纵向x向两两等距排列的第一纵向x向天线阵子x₁、第二纵向x向天线阵子x₂、…、第M纵向x向天线阵子x_M共M个天线阵子组成，而竖直向z向等距线性子阵列天线2包括沿竖直向z向两两等距排列的第一竖直向z向天线阵子z₀、第二竖直向z向天线阵子z₁、…、第M竖直向z向天线阵子z_M-1共M个天线阵子组成，另外纵向x向等距线性子阵列天线1和竖直向z向等距线性子阵列天线2同相关性矩阵计算装置3相通信连接，相关性矩阵计算装置3和子空间估计装置4相通信连接，子空间估计装置4和到达方向估计装置5相通信连接，M为大于等于2的整数。

所述的自动配准的二维波达方向估计装置的方法，当波长为l的p个窄带不相关远场信号

以各自待求的方位角

和仰角

入射到直角折尺L形阵列天线上时，先将纵向x向等距线性子阵列天线1和竖直向z向等距线性子阵列天线2上接收到的波长为l的p个窄带不相关远场信号

的观测数据发送到相关性矩阵计算装置3，据此相关性矩阵计算装置3导出自相关矩阵，将该自相关矩阵发送到子空间估计装置4导出仰角

将该仰角

发送到到达方向估计装置5导出方位角

从而完成了二维波达方向估计，其中p为大于等于2的整数，k为小于等于p的整数，n为采样时刻。

所述的纵向x向等距线性子阵列天线1和竖直向z向等距线性子阵列天线2上接收到的波长为λ的p个窄带不相关远场信号

的观测数据分别为下式x(n)和z(n)所示：

x(n)＝A(f)s(n)+w_x(n)    (1)

z(n)＝A(q)s(n)+w_z(n)    (2)

其中如式(3)-式(11)所示：

$w_x\left(n\right)={[w_{x_1}\left(n\right),w_{x_2}\left(n\right),L,w_{x_M}\left(n\right)]}^T---\left(3\right)$

$w_z\left(n\right)={[w_{z_0}\left(n\right),w_{z_1}\left(n\right),L,w_{z_{M-1}}\left(n\right)]}^T---\left(4\right)$

s(n)＝[s₁(n)，s₂(n)，L，s_p(n)]^T      (5)

z(n)＝[z₀(n)，z₁(n)，L，z_M-1(n)]^T    (6)

x(n)＝[x₁(n)，x₂(n)，L，x_M(n)]^T      (7)

A(q)＝[a(q₁)，a(q₂)，L，a(q_p)]       (8)

A(f)＝[a(f₁)，a(f₂)，L，a(f_p)]       (9)

$a\left(q_k\right)={[1,e^{-j{a}_k},L,e^{-j(M-1)a_k}]}^T---\left(10\right)$

$a\left(f_k\right)={[e^{-j{b}_k},e^{-j2b_k},L,e^{-jM{b}_k}]}^T---\left(11\right)$

a_k＝2pdcosq_k/l，b_k＝2pdcosf_k/l，p为入射窄带不相关远场信号个数，k为小于等于p的整数，z(n)为竖直向z向等距线性子阵列天线2的第一竖直向z向天线阵子z₀的接收数据、第二竖直向z向天线阵子z₁的接收数据、…、第M竖直向z向天线阵子z_M-1的接收数据构成的竖直向z向接收数据向量，x(n)为纵向x向等距线性子阵列天线1的第一纵向x向天线阵子x₁的接收数据、第二纵向x向天线阵子x₂的接收数据、…、第M纵向x向天线阵子x_M的接收数据构成的竖直向z向接收数据向量，n为采样时刻，w_z(n)为竖直向z向等距线性子阵列天线2的第一竖直向z向天线阵子z₀的附加噪音、第二竖直向z向天线阵子z₁的附加噪音…第M竖直向z向天线阵子z_M-1的附加噪音构成的附加噪音向量，w_x(n)分别为纵向x向等距线性子阵列天线1的第一纵向x向天线阵子x₁的附加噪音、第二纵向x向天线阵子x₂的附加噪音、…、第M纵向x向天线阵子x_M的的附加噪音构成的附加噪音向量，s(n)为入射p个窄带不相关远场信号

构成的向量，A(q)为竖直向z向的线性阵列的响应矩阵，a(q_k)为第k个入射信号在z向的导向矢量，A(f)为纵向x向的线性阵列的响应矩阵，a(f_k)为第k个入射信号在x向的导向矢量，f_k为待求的波长为l的第k个窄带不相干远场信号的方位角，q_k为待求的波长为l的第k个窄带不相干远场信号的仰角，d为等距线性子阵列内部传感器之间的距离，n为采样时刻。

所述的协方差矩阵为R_zx、

R_z以及R_yy，它们分别如式(12)-式(15)所示：

R_zx ＝E{z(n)x^H(n)}＝A(q)R_sA^H(f)    (12)

$R_z=[R_{\mathrm{zx}},{\stackrel{\‾}{R}}_{\mathrm{zx}}]---\left(14\right)$

R_yy＝E{y(n)y^H(n)}                  (15)

其中R_s＝E{s(n)s^H(n)}，

y(n)＝[z(n)^T，x(n)^T]^T符号E{·}，(·)^H和(·)^*分别表示数学期望、共轭转置和复转置运算，里的E{.}，(.)^H，(.)^*分别表示为数学期望，共轭转置以及复数共轭运算，其中s(n)为入射p个窄带不相关远场信号

构成的向量，n为采样时刻，x(n)为纵向x向等距线性子阵列天线1的第一纵向x向天线阵子x₁的接收数据、第二纵向x向天线阵子x₂的接收数据、…、第M纵向x向天线阵子x_M的接收数据构成的竖直向z向接收数据向量，A(q)为竖直向z向的线性阵列的响应矩阵，A(f)为纵向x向的线性阵列的响应矩阵，再根据式(3)和式(4)组合而成组合得到一个M×2M维的扩展互相关矩阵R_x，即纵向x向等距线性子阵列互相关矩阵，a_k＝2pdcosq_k/l，l为波长，q_k为待求的波长为l的第k个窄带不相干远场信号的仰角。

所述的方位角的导出方式为对式(16)

f(f)＝a^H(f)∏_xa(f)    (16)

的函数f(f)进行极小化估计，得到对应的方位角

值，其中

而矩阵Q_x＝[P_x ^T，-I_M-p]^T，I_M-p为(M-p)×(M-p)的单位阵，P_x＝A₁ ^-H(f)A₂ ^H(f)，A(f)为纵向x向的线性阵列的响应矩阵。

通过纵向x向等距线性子阵列天线1、竖直向z向等距线性子阵列天线2、相关性矩阵计算装置3、子空间估计装置4以及到达方向估计装置5相通信连接，利用子阵平均技术对入射信号解相干，同时对L阵列接受数据的互相关矩阵实施线性操作得到零空间，首先估计出到达方向的俯仰角，然后根据俯仰角估计出到达方向的方位角，该方法不需要进行特征值分解，而且避免了角度匹配的问题。

附图说明

图1是本发明的自动配准的二维波达方向估计装置的工作原理结构示意图。

图2是本发明的自动配准的二维波达方向估计装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更详细的说明。

如图1和图2所示，自动配准的二维波达方向估计装置，包括直角折尺L形阵列天线，该直角折尺L形阵列天线为纵向x向等距线性子阵列天线1的一端和竖直向z向等距线性子阵列天线2的一端垂直连接构成，其中的纵向x向等距线性子阵列天线1包括沿纵向x向两两等距排列的第一纵向x向天线阵子x₁、第二纵向x向天线阵子x₂、…、第M纵向x向天线阵子x_M共M个天线阵子组成，而竖直向z向等距线性子阵列天线2包括沿竖直向z向两两等距排列的第一竖直向z向天线阵子z₀、第二竖直向z向天线阵子z₁、…、第M竖直向z向天线阵子z_M-1共M个天线阵子组成，另外纵向x向等距线性子阵列天线1和竖直向z向等距线性子阵列天线2同相关性矩阵计算装置3相通信连接，相关性矩阵计算装置3和子空间估计装置4相通信连接，子空间估计装置4和到达方向估计装置5相通信连接，M为大于等于2的整数。

所述的自动配准的二维波达方向估计装置的方法，当波长为l的p个窄带不相关远场信号

以各自待求的方位角

和仰角

入射到直角折尺L形阵列天线上时，先将纵向x向等距线性子阵列天线1和竖直向z向等距线性子阵列天线2上接收到的波长为l的p个窄带不相关远场信号

的观测数据发送到相关性矩阵计算装置3，据此相关性矩阵计算装置3导出自相关矩阵，将该自相关矩阵发送到子空间估计装置4导出仰角

将该仰角

发送到到达方向估计装置5导出方位角

从而完成了二维波达方向估计，其中p为大于等于2的整数，k为小于等于p的整数，n为采样时刻。

所述的纵向x向等距线性子阵列天线1和竖直向z向等距线性子阵列天线2上接收到的波长为λ的p个窄带不相关远场信号

的观测数据分别为下式x(n)和z(n)所示：

x(n)＝A(f)s(n)+w_x(n)               (1)

z(n)＝A(q)s(n)+w_z(n)               (2)

其中如式(3)-式(11)所示：

$w_x\left(n\right)={[w_{x_1}\left(n\right),w_{x_2}\left(n\right),L,w_{x_M}\left(n\right)]}^T---\left(3\right)$

$w_z\left(n\right)={[w_{z_0}\left(n\right),w_{z_1}\left(n\right),L,w_{z_{M-1}}\left(n\right)]}^T---\left(4\right)$

s(n)＝[s₁(n)，s₂(n)，L，s_p(n)]^T    (5)

z(n)＝[z₀(n)，z₁(n)，L，z_M-1(n)]^T  (6)

x(n)＝[x₁(n)，x₂(n)，L，x_M(n)]^T    (7)

A(q)＝[a(q₁)，a(q₂)，L，a(q_p)]     (8)

A(f)＝[a(f₁)，a(f₂)，L，a(f_p)]     (9)

$a\left(q_k\right)={[1,e^{-j{a}_k},L,e^{-j(M-1)a_k}]}^T---\left(10\right)$

$a\left(f_k\right)={[e^{-j{b}_k},e^{-j2b_k},L,e^{-jM{b}_k}]}^T---\left(11\right)$

a_k＝2pdcosq_k/l，b_k＝2pdcosf_k/l，p为入射窄带不相关远场信号个数，k为小于等于p的整数，z(n)为竖直向z向等距线性子阵列天线2的第一竖直向z向天线阵子z₀的接收数据、第二竖直向z向天线阵子z₁的接收数据、…、第M竖直向z向天线阵子z_M-1的接收数据构成的竖直向z向接收数据向量，x(n)为纵向x向等距线性子阵列天线1的第一纵向x向天线阵子x₁的接收数据、第二纵向x向天线阵子x₂的接收数据、…、第M纵向x向天线阵子x_M的接收数据构成的竖直向z向接收数据向量，n为采样时刻，w_z(n)为竖直向z向等距线性子阵列天线2的第一竖直向z向天线阵子z₀的附加噪音、第二竖直向z向天线阵子z₁的附加噪音、…、第M竖直向z向天线阵子z_M-1的附加噪音构成的附加噪音向量，w_x(n)分别为纵向x向等距线性子阵列天线1的第一纵向x向天线阵子x₁的附加噪音、第二纵向x向天线阵子x₂的附加噪音、…、第M纵向x向天线阵子x_M的的附加噪音构成的附加噪音向量，s(n)为入射p个窄带不相关远场信号

构成的向量，A(q)为竖直向z向的线性阵列的响应矩阵，a(q_k)为第k个入射信号在z向的导向矢量，A(f)为纵向x向的线性阵列的响应矩阵，a(f_k)为第k个入射信号在x向的导向矢量，f_k为待求的波长为l的第k个窄带不相干远场信号的方位角，q_k为待求的波长为l的第k个窄带不相干远场信号的仰角，d为等距线性子阵列内部传感器之间的距离，n为采样时刻。

所述的协方差矩阵为R_zx、

R_z以及R_yy，它们分别如式(12)-式(15)所示：

R_zx＝E{z(n)x^H(n)}＝A(q)R_sA^H(f)    (12)

$R_z=[R_{\mathrm{zx}},{\stackrel{\‾}{R}}_{\mathrm{zx}}]---\left(14\right)$

R_yy＝E{y(n)y^H(n)}                 (15)

其中R_s＝E{s(n)s^H(n)}，

y(n)＝[z(n)^T，x(n)^T]^T符号E{·}，(·)^H和(·)^*分别表示数学期望、共轭转置和复转置运算，里的E{.}，(.)^H，(.)^*分别表示为数学期望，共轭转置以及复数共轭运算，其中s(n)为入射p个窄带不相关远场信号

构成的向量，n为采样时刻，x(n)为纵向x向等距线性子阵列天线1的第一纵向x向天线阵子x₁的接收数据、第二纵向x向天线阵子x₂的接收数据、…、第M纵向x向天线阵子x_M的接收数据构成的竖直向z向接收数据向量，A(q)为竖直向z向的线性阵列的响应矩阵，A(f)为纵向x向的线性阵列的响应矩阵，再根据式(3)和式(4)组合而成组合得到一个M×2M维的扩展互相关矩阵R_x，即纵向x向等距线性子阵列互相关矩阵，a_k＝2pdcosq_k/l，l为波长，q_k为待求的波长为l的第k个窄带不相干远场信号的仰角。

所述的方位角

的导出方式为对式(16)

f(f)＝a^H(f)∏_xa(f)    (16)

的函数f(f)进行极小化估计，得到对应的方位角

值，其中

而矩阵Q_x＝[P_x ^T，-I_M-p]^T，I_M-p为(M-p)×(M-p)的单位阵，P_x＝A₁ ^-H(f)A₂ ^H(f)，A(f)为纵向x向的线性阵列的响应矩阵。

Claims (5)

1.一种自动配准的二维波达方向估计装置，包括直角折尺L形阵列天线，其特征在于：该直角折尺L形阵列天线为纵向x向等距线性子阵列天线(1)的一端和竖直向z向等距线性子阵列天线(2)的一端垂直连接构成，其中的纵向x向等距线性子阵列天线(1)包括沿纵向x向两两等距排列的第一纵向x向天线阵子x₁、第二纵向x向天线阵子x₂、…、第M纵向x向天线阵子x_M共M个天线阵子组成，而竖直向z向等距线性子阵列天线(2)包括沿竖直向z向两两等距排列的第一竖直向z向天线阵子z₀、第二竖直向z向天线阵子z₁、…、第M竖直向z向天线阵子z_M-1共M个天线阵子组成，另外纵向x向等距线性子阵列天线(1)和竖直向z向等距线性子阵列天线(2)同相关性矩阵计算装置(3)相通信连接，相关性矩阵计算装置(3)和子空间估计装置(4)相通信连接，子空间估计装置(4)和到达方向估计装置(5)相通信连接，M为大于等于2的整数。

2.根据权利要求1所述的自动配准的二维波达方向估计装置的方法，其特征在于：当波长为l的p个窄带不相关远场信号

以各自待求的方位角

和仰角

入射到直角折尺L形阵列天线上时，先将纵向x向等距线性子阵列天线(1)和竖直向z向等距线性子阵列天线(2)上接收到的波长为l的p个窄带不相关远场信号

的观测数据发送到相关性矩阵计算装置(3)，据此相关性矩阵计算装置(3)导出自相关矩阵，将该自相关矩阵发送到子空间估计装置(4)导出仰角

将该仰角

发送到到达方向估计装置(5)导出方位角

从而完成了二维波达方向估计，其中p为大于等于2的整数，k为小于等于p的整数，n为采样时刻。

3.根据权利要求2所述的自动配准的二维波达方向估计装置的方法，其特征在于：所述的纵向x向等距线性子阵列天线(1)和竖直向z向等距线性子阵列天线(2)上接收到的波长为λ的p个窄带不相关远场信号

的观测数据分别为下式x(n)和z(n)所示：

x(n)＝A(f)s(n)+w_x(n)                 (1)

z(n)＝A(q)s(n)+w_z(n)                 (2)

其中如式(3)-式(11)所示：

$w_x\left(n\right)={[w_{x_1}\left(n\right),w_{x_2}\left(n\right),L,w_{x_M}\left(n\right)]}^T---\left(3\right)$

$w_z\left(n\right)={[w_{z_0}\left(n\right),w_{z_1}\left(n\right),L,w_{z_{M-1}}\left(n\right)]}^T---\left(4\right)$

s(n)＝[s₁(n)，s₂(n)，L，s_p(n)]^T      (5)

z(n)＝[z₀(n)，z₁(n)，L，z_M-1(n)]^T    (6)

x(n)＝[x₁(n)，x₂(n)，L，x_M(n)]^T      (7)

A(q)＝[a(q₁)，a(q₂)，L，a(q_p)]       (8)

A(f)＝[a(f₁)，a(f₂)，L，a(f_p)]       (9)

$a\left(q_k\right)={[1,e^{-j{a}_k},L,e^{-j(M-1)a_k}]}^T---\left(10\right)$

$a\left(f_k\right)={[e^{-j{b}_k},e^{-j2b_k},L,e^{-jM{b}_k}]}^T---\left(11\right)$

a_k＝2pdcosq_k/l，b_k＝2pdcosf_k/l，p为入射窄带不相关远场信号个数，k为小于等于p的整数，z(n)为竖直向z向等距线性子阵列天线2的第一竖直向z向天线阵子z₀的接收数据、第二竖直向z向天线阵子z₁的接收数据、…、第M竖直向z向天线阵子z_M-1的接收数据构成的竖直向z向接收数据向量，x(n)为纵向x向等距线性子阵列天线(1)的第一纵向x向天线阵子x₁的接收数据、第二纵向x向天线阵子x₂的接收数据、…、第M纵向x向天线阵子x_M的接收数据构成的竖直向z向接收数据向量，n为采样时刻，w_z(n)为竖直向z向等距线性子阵列天线(2)的第一竖直向z向天线阵子z₀的附加噪音、第二竖直向z向天线阵子z₁的附加噪音、…、第M竖直向z向天线阵子z_M-1的附加噪音构成的附加噪音向量，w_x(n)分别为纵向x向等距线性子阵列天线(1)的第一纵向x向天线阵子x₁的附加噪音、第二纵向x向天线阵子x₂的附加噪音、…、第M纵向x向天线阵子x_M的的附加噪音构成的附加噪音向量，s(n)为入射p个窄带不相关远场信号

构成的向量，A(q)为竖直向z向的线性阵列的响应矩阵，a(q_k)为第k个入射信号在z向的导向矢量，A(f)为纵向x向的线性阵列的响应矩阵，a(f_k)为第k个入射信号在x向的导向矢量，f_k为待求的波长为l的第k个窄带不相干远场信号的方位角，q_k为待求的波长为l的第k个窄带不相干远场信号的仰角，d为等距线性子阵列内部传感器之间的距离，n为采样时刻。

4.根据权利要求3所述的自动配准的二维波达方向估计装置的方法，其特征在于：所述的协方差矩阵为R_zx、

R_z以及R_yy，它们分别如式(12)-式(15)所示：

R_zx＝E{z(n)x^H(n)}＝A(q)R_sA^H(f)    (12)

$R_z=[R_{\mathrm{zx}},{\stackrel{\‾}{R}}_{\mathrm{zx}}]---\left(14\right)$

R_yy＝E{y(n)y^H(n)}                 (15)

其中R_s＝E{s(n)s^H(n)}，

y(n)＝[z(n)^T，x(n)^T]^T符号E{·}，(·)^H和(·)^*分别表示数学期望、共轭转置和复转置运算，里的E{.}，(.)^H，(.)^*分别表示为数学期望，共轭转置以及复数共轭运算，其中s(n)为入射p个窄带不相关远场信号构成的向量，n为采样时刻，x(n)为纵向x向等距线性子阵列天线1的第一纵向x向天线阵子x₁的接收数据、第二纵向x向天线阵子x₂的接收数据、…、第M纵向x向天线阵子x_M的接收数据构成的竖直向z向接收数据向量，A(q)为竖直向z向的线性阵列的响应矩阵，A(f)为纵向x向的线性阵列的响应矩阵，再根据式(3)和式(4)组合而成组合得到一个M×2M维的扩展互相关矩阵R_x，即纵向x向等距线性子阵列互相关矩阵，a_k＝2pdcosq_k/l，l为波长，q_k为待求的波长为l的第k个窄带不相干远场信号的仰角。

5.根据权利要求4所述的自动配准的二维波达方向估计装置的方法，其特征在于：所述的方位角

的导出方式为对式(16)

f(f)＝a^H(f)∏_xa(f)    (16)

的函数f(f)进行极小化估计，得到对应的方位角

值，其中

而矩阵Q_x＝[P_x ^T，-I_M-p]^T，I_M-p为(M-p)×(M-p)的单位阵，P_x＝A₁ ^-H(f)A₂ ^H(f)，A(f)为纵向x向的线性阵列的响应矩阵。

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