CN102621539A - 单次搜索宽带信号波达方向估计方法 - Google Patents

单次搜索宽带信号波达方向估计方法 Download PDF

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CN102621539A CN2012101211566A CN201210121156A CN102621539A CN 102621539 A CN102621539 A CN 102621539A CN 2012101211566 A CN2012101211566 A CN 2012101211566A CN 201210121156 A CN201210121156 A CN 201210121156A CN 102621539 A CN102621539 A CN 102621539A
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Abstract

单次搜索宽带信号波达方向估计方法，适用于均匀线阵，其实现步骤为：1）采样获得
Figure 2012101211566100004DEST_PATH_IMAGE001
个快拍，相邻的
Figure 411662DEST_PATH_IMAGE002
个快拍构成一个数据矩阵，
Figure 254984DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，…，
Figure 288800DEST_PATH_IMAGE006
，共
Figure 442481DEST_PATH_IMAGE006
个；2）对每个数据矩阵
Figure 245352DEST_PATH_IMAGE003
的每行数据进行离散傅立叶变换，得到
Figure 384210DEST_PATH_IMAGE006
个频域矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE007
；3）把频域矩阵
Figure 905321DEST_PATH_IMAGE007
的列数据，重新组合成
Figure 92720DEST_PATH_IMAGE002
个窄带矩阵
Figure 514211DEST_PATH_IMAGE008
，其中，窄带矩阵
Figure 823970DEST_PATH_IMAGE008
的第
Figure DEST_PATH_IMAGE009
列数据为频域矩阵
Figure 832377DEST_PATH_IMAGE007
的第
Figure 823467DEST_PATH_IMAGE010
列数据，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 600930DEST_PATH_IMAGE005
，…，
Figure 517808DEST_PATH_IMAGE002
；4）根据阵元间距
Figure 810249DEST_PATH_IMAGE012
，采样频率
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，选择一个窄带矩阵
Figure 542713DEST_PATH_IMAGE014
；5）把
Figure 237000DEST_PATH_IMAGE014
视为窄带信号的数据矩阵，采用传统窄带MUSIC算法，完成信号波达方向估计。该方法实现了对宽带信号的波达方向估计，具有计算量小，估计准确的优点，可以应用于通信、雷达等领域。

Description

单次搜索宽带信号波达方向估计方法
技术领域
    本发明涉及通信、雷达领域中的信号波达方向估计，具体涉及单次搜索宽带信号的波达方向估计方法。
 
技术背景
在通信和雷达领域，对入射到阵列天线的电磁波信号进行波达方向（Direction Of Arrival，DOA）估计，具有重要意义。多重信号分类法（Multiple Signals Class，MUSIC）由于具有超分辨特性，计算量比最大似然法又小，所以是信号DOA估计的重要算法。传统的MUSIC算法只适合于窄带信号，而且在阵元间距为信号半个波长时，由于避免了栅瓣出现，同时阵列具有最大方向性系数，所以，此时估计精度最高。为了估计宽带信号的DOA，必须对传统窄带MUSIC算法做一定的改进。已有的一种改进方法是把宽带信号进行离散傅立叶变换，从而把宽带信号转换为多个窄带信号，并对每个窄带信号采用MUSIC算法，得到多组DOA估计结果，最后，把上述估计结果进行平均，完成宽带信号的DOA估计。该方法有两个缺点，一是由于子带个数较多，每个子带数据需要进行一次MUISC算法，运算量很大；二是由于每个窄带数据频率不同，阵元间距并不等于该频率对应波长的一半，所以估计存在较大误差。
 
发明内容
    本发明专利要解决的技术问题是，设计新的宽带信号DOA估计方法，克服已有宽带信号DOA估计方法中计算量大，估计误差大的不足。
解决所述问题的技术方案是单次搜索宽带信号DOA估计方法，本发明的实现步骤为：
1）在均匀线阵中，阵元个数为                                                ，阵元间距
Figure 401029DEST_PATH_IMAGE002
，对所接收宽带信号进行
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE003
次采样，采样频率
Figure 733921DEST_PATH_IMAGE004
，获得
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE005
个列矢量快拍
Figure 220397DEST_PATH_IMAGE006
，…, 
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE007
，把
Figure 682341DEST_PATH_IMAGE006
，…, 
Figure 949374DEST_PATH_IMAGE008
分为第1组，构成
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE009
维数据矩阵
Figure 820378DEST_PATH_IMAGE010
，把，…, 分为第2组，构成维数据矩阵
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE013
，以此类推，所有快拍分为
Figure 548534DEST_PATH_IMAGE014
组，得到
Figure 551125DEST_PATH_IMAGE014
个
Figure 12194DEST_PATH_IMAGE009
维数据矩阵
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 114142DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE017
，…，
Figure 293450DEST_PATH_IMAGE014
；
2）在每个数据矩阵
Figure 264512DEST_PATH_IMAGE015
中，把每行元素进行离散傅立叶变换，得到
Figure 642404DEST_PATH_IMAGE014
个
Figure 180833DEST_PATH_IMAGE009
维的频域矩阵
Figure 644175DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 926252DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 424229DEST_PATH_IMAGE017
，…，
Figure 867980DEST_PATH_IMAGE014
；
3）把个频域矩阵
Figure 402921DEST_PATH_IMAGE018
的列数据，重新组合成
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE019
个维的窄带矩阵
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE021
，其中，窄带矩阵
Figure 307740DEST_PATH_IMAGE021
的第列数据为频域矩阵
Figure 369554DEST_PATH_IMAGE018
的第
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE023
列数据，
Figure 12763DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 63896DEST_PATH_IMAGE017
，…，，，
Figure 478193DEST_PATH_IMAGE017
，…，
Figure 700227DEST_PATH_IMAGE019
；
4）根据阵元间距
Figure 847175DEST_PATH_IMAGE002
，计算频率
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 249075DEST_PATH_IMAGE026
为光速，然后在1，2，…, 
Figure 430658DEST_PATH_IMAGE019
中，求得与
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE027
最接近的正整数
Figure 203354DEST_PATH_IMAGE028
，符号
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE029
表示取除法运算的余数；
5）根据
Figure 40860DEST_PATH_IMAGE028
，把视为窄带信号的数据矩阵，采用传统窄带MUSIC算法，完成信号波达方向估计。
本发明的有益效果是：新方法不仅实现了对宽带信号的DOA估计，而且，一方面由于新方法只在一个子带信号上进行一次MUSIC算法，计算量更小，另一方面，新方法中所选子带等效波长的一半等于阵元间距，估计更准确。
 
附图说明
图1 均匀线阵与入射信号关系示意图
图2 宽带信号DOA估计方法流程图
图3 宽带信号DOA估计方法的空间谱图
具体实施方法
本发明专利提供单次搜索宽带信号的DOA估计方法，相对于每个子带信号都进行MUSIC法估计的已有宽带信号DOA估计方法，该方法仅对一个子带信号进行MUSIC法估计，从而减少了运算量。通过合理选择子带信号，估计误差也有所减小。下面对本发明进一步进行详细描述。
图1为均匀线阵和入射信号关系示意图。图中，阵列由
Figure 580743DEST_PATH_IMAGE001
个相同的全向阵元构成，阵元间距为
Figure 144579DEST_PATH_IMAGE002
。空间具有
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE031
个入射信号，
Figure 640020DEST_PATH_IMAGE032
，这些信号DOA分别为
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 947505DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 41363DEST_PATH_IMAGE017
，…，
Figure 838417DEST_PATH_IMAGE031
，每个DOA位于区间。取第1个阵元位置为坐标原点，第个信号到达该点时为
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE037
。阵列接收信号可以表示为列矢量
Figure 666751DEST_PATH_IMAGE038
，符号
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE039
表示对矢量和矩阵求转置，其中第
Figure 615115DEST_PATH_IMAGE040
个阵元接收信号为
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 19290DEST_PATH_IMAGE042
为第
Figure 53105DEST_PATH_IMAGE040
个阵元接收到的第
Figure 764709DEST_PATH_IMAGE036
个信号相对于原点信号的延时，
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE043
为第
Figure 833159DEST_PATH_IMAGE040
阵元接收的噪声信号，
Figure 909699DEST_PATH_IMAGE044
，，…，
Figure 134323DEST_PATH_IMAGE001
。接收信号经过采样率为的ADC，得到数字信号
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE045
，而每个采样矢量称为一个快拍。
图2为本发明的宽带信号DOA估计方法流程图，该方法可以分为五个步骤：
1）阵列以采样率
Figure 367038DEST_PATH_IMAGE004
对接收信号连续采样
Figure 109866DEST_PATH_IMAGE046
次，得到采样快拍
Figure 163273DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE047
，…，
Figure 439271DEST_PATH_IMAGE007
。把相邻个快拍构成一个
Figure 353317DEST_PATH_IMAGE048
维数据矩阵
Figure 882519DEST_PATH_IMAGE015
，共个，其中
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE049
，矩阵
Figure 930164DEST_PATH_IMAGE015
的第
Figure 647584DEST_PATH_IMAGE040
行第
Figure 980477DEST_PATH_IMAGE023
列元素记为
Figure 794849DEST_PATH_IMAGE050
，，
Figure 554994DEST_PATH_IMAGE017
，…，，
Figure 394829DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure 63708DEST_PATH_IMAGE017
，…，，
Figure 686767DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 689358DEST_PATH_IMAGE017
，…，。
2）对每个数据矩阵
Figure 819086DEST_PATH_IMAGE015
的每行元素进行离散傅立叶变换，则数据矩阵
Figure 998395DEST_PATH_IMAGE015
转换为维频域矩阵
Figure 854673DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE053
第
Figure 393101DEST_PATH_IMAGE040
行第
Figure 292662DEST_PATH_IMAGE023
列元素记为
Figure 574739DEST_PATH_IMAGE054
，
Figure 807137DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 516467DEST_PATH_IMAGE017
，…，，
Figure 287294DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure 639778DEST_PATH_IMAGE017
，…，
Figure 18544DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 394162DEST_PATH_IMAGE024
，，…，
Figure 225032DEST_PATH_IMAGE019
。
3）把
Figure 276164DEST_PATH_IMAGE014
个频域矩阵的列数据，重新组合成
Figure 861921DEST_PATH_IMAGE019
个
Figure 126681DEST_PATH_IMAGE020
维的窄带矩阵
Figure 145452DEST_PATH_IMAGE021
，其中，
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE055
，即窄带矩阵
Figure 495662DEST_PATH_IMAGE021
的第
Figure 461344DEST_PATH_IMAGE022
列数据为频域矩阵
Figure 642927DEST_PATH_IMAGE018
的第列数据，，
Figure 666575DEST_PATH_IMAGE017
，…，
Figure 905926DEST_PATH_IMAGE014
，，
Figure 591303DEST_PATH_IMAGE017
，…，。
4）根据阵元间距，计算频率
Figure 288235DEST_PATH_IMAGE025
，为光速，在1，2，…, 中，求得与最接近的正整数
Figure 95206DEST_PATH_IMAGE028
，符号
Figure 191338DEST_PATH_IMAGE029
表示取除法运算的余数。该步骤的原理是在于，由于每个窄带矩阵
Figure 840625DEST_PATH_IMAGE021
对应一个窄带信号，这些窄带信号的波长各不相同。在把阵元间
Figure 705813DEST_PATH_IMAGE002
距视为半个波长时，可以从所有窄带矩阵
Figure 782353DEST_PATH_IMAGE021
中，选择与该波长最为接近的窄带矩阵。
5）根据
Figure 303464DEST_PATH_IMAGE028
，把
Figure 818759DEST_PATH_IMAGE030
视为窄带信号的数据矩阵，采用传统窄带MUSIC算法，完成信号DOA估计。传统窄带MUISC算法为本领域公知技术，其实现步骤为：
a、计算协方差矩阵
Figure 974672DEST_PATH_IMAGE056
，符号
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE057
表示对矩阵求共轭转置； 
b、对矩阵
Figure 222114DEST_PATH_IMAGE058
进行特征分解，求其
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE059
个较小特征值对应的特征矢量
Figure 168204DEST_PATH_IMAGE060
，…，
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE061
，并把这些特征矢量构成
Figure 663688DEST_PATH_IMAGE062
维矩阵
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE063
；
c、以
Figure 378835DEST_PATH_IMAGE064
为自变量，计算空间谱函数，其中，
Figure 859495DEST_PATH_IMAGE064
定义域为区间
Figure 355198DEST_PATH_IMAGE035
，空间谱函数，方向矢量
Figure 382935DEST_PATH_IMAGE066
；
d、找出空间谱对应的
Figure 952587DEST_PATH_IMAGE031
个谱峰，谱峰对应的角度
Figure 869728DEST_PATH_IMAGE068
就是信号DOA的估计值，
Figure 587148DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 982357DEST_PATH_IMAGE017
，…，
Figure 232948DEST_PATH_IMAGE031
。
图3是按照上述方法进行DOA估计仿真，得到的空间谱图，其中阵列
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE069
，，空间信号，DOA分别为
Figure 135493DEST_PATH_IMAGE072
和，中心频率300MHz，带宽100MHz，采样频率
Figure 770611DEST_PATH_IMAGE074
MHz，
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE075
，
Figure 377173DEST_PATH_IMAGE076
，信噪比分别为
Figure 2012101211566100002DEST_PATH_IMAGE077
和。图中，两个谱峰对应的角度等于信号入射的角度，说明本发明的正确性。
本发明仅通过一次MUSIC法，实现宽带信号的DOA估计，不仅计算量小，而且由于选择的子带频率对应波长的一半近似等于阵元间距，所以估计误差小。本发明可以应用于通信、雷达等领域中的宽带信号DOA估计。

Claims (1)

1.单次搜索宽带信号波达方向估计方法，其实现步骤为：
1）在均匀线阵中，阵元个数为                                                ，阵元间距，对所接收宽带信号进行
Figure 2012101211566100001DEST_PATH_IMAGE003
次采样，采样频率
Figure 114320DEST_PATH_IMAGE004
，获得
Figure 2012101211566100001DEST_PATH_IMAGE005
个列矢量快拍
Figure 513071DEST_PATH_IMAGE006
，…, 
Figure 2012101211566100001DEST_PATH_IMAGE007
，把
Figure 379134DEST_PATH_IMAGE006
，…, 
Figure 620759DEST_PATH_IMAGE008
分为第1组，构成
Figure 2012101211566100001DEST_PATH_IMAGE009
维数据矩阵
Figure 771249DEST_PATH_IMAGE010
，把
Figure 2012101211566100001DEST_PATH_IMAGE011
，…, 分为第2组，构成
Figure 687569DEST_PATH_IMAGE009
维数据矩阵
Figure 2012101211566100001DEST_PATH_IMAGE013
，以此类推，所有快拍分为
Figure 852709DEST_PATH_IMAGE014
组，得到
Figure 869207DEST_PATH_IMAGE014
个维数据矩阵
Figure 2012101211566100001DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 456275DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 2012101211566100001DEST_PATH_IMAGE017
，…，
Figure 344596DEST_PATH_IMAGE014
；
2）在每个数据矩阵中，把每行元素进行离散傅立叶变换，得到
Figure 454952DEST_PATH_IMAGE014
个维的频域矩阵
Figure 271653DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 629953DEST_PATH_IMAGE016
，，…，
Figure 153655DEST_PATH_IMAGE014
；
3）把个频域矩阵
Figure 677095DEST_PATH_IMAGE018
的列数据，重新组合成
Figure 2012101211566100001DEST_PATH_IMAGE019
个
Figure 676275DEST_PATH_IMAGE020
维的窄带矩阵，其中，窄带矩阵
Figure 898309DEST_PATH_IMAGE021
的第
Figure 248519DEST_PATH_IMAGE022
列数据为频域矩阵的第
Figure 2012101211566100001DEST_PATH_IMAGE023
列数据，
Figure 832002DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 21675DEST_PATH_IMAGE017
，…，
Figure 859181DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 425292DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 664643DEST_PATH_IMAGE017
，…，
Figure 479014DEST_PATH_IMAGE019
；
4）根据阵元间距
Figure 866133DEST_PATH_IMAGE002
，计算频率，
Figure 173617DEST_PATH_IMAGE026
为光速，然后在1，2，…, 
Figure 1896DEST_PATH_IMAGE019
中，求得与最接近的正整数
Figure 736634DEST_PATH_IMAGE028
，符号
Figure 2012101211566100001DEST_PATH_IMAGE029
表示取除法运算的余数；
5）根据，把
Figure 892863DEST_PATH_IMAGE030
视为窄带信号的数据矩阵，采用传统窄带MUSIC算法，完成信号波达方向估计。
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