CN104833947B - 一种任意阵接收对称虚拟变换2d‑doa分离算法 - Google Patents

一种任意阵接收对称虚拟变换2d‑doa分离算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种任意阵接收对称虚拟变换2D‐DOA分离算法,属于雷达领域。所述发明包括通过构建的原始接收阵列，将该原始接收阵列在三维空间中进行虚拟处理，得到若干与原始接收矩阵结构相同的虚拟接收阵列，进而分别通过原始接收阵列和虚拟接收阵列进行信源的接收，使用了双线对称虚拟变换的形式，对虚拟子阵接收的数据进行合并运算，最终根据接收到的信号矢量进行数据处理，根据处理结果得到信源相对于原始接收阵列的方位角和俯仰角，从而完成对信源方位的准确测定。相对于现有技术，抵消了因构造旋转不变性子阵而容易造成的阵列孔径损失，提升信号处理的准确性。

Description

一种任意阵接收对称虚拟变换2D-DOA分离算法
技术领域
本发明涉及雷达领域，特别涉及一种任意阵接收对称虚拟变换2D‐DOA分离算法。
背景技术
在雷达领域中，确定DOA(Direction Of Arrival，波达方向)一直是研究的重要课题。
在现有的技术中，常用的有最大似然和MUSIC(Multiple SignalClassification，多信号分类)和ESPRIT(Estimating Signal Parameters viaRotational Invariance Techniques，借助旋转不变技术估算信号参数)方法，其中ESPRIT通过计算闭式解的方法，就可以得到信源的方位角和俯仰角两个重要参数，从而完成对DOA的估计，不需像最大似然和MUSIC方法那样要经过对谱峰进行搜索，可以显著降低相关数据的计算量和存储量。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
作为其中较为优秀的方法，ESPRIT算法因构造旋转不变性子阵而容易造成的阵列孔径损失，导致无法对DOA进行准确估计。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种任意阵接收对称虚拟变换2D‐DOA分离算法，所述任意阵接收对称虚拟变换2D‐DOA分离算法，包括：
部署用于接收信源的原始接收阵列；
根据所述原始接收阵列，构建2l组与所述原始接收阵列结构相同的虚拟接收阵列；
通过所述原始接收阵列接收到的原始信号矢量为x0(t)，通过所述2l组虚拟接收阵列接收到的虚拟信号矢量为xk(t)，对所述虚拟信号矢量xk(t)进 行虚拟内插变换，得到虚拟变换因子Bk；
基于所述虚拟变换因子Bk，对所述原始信号矢量和所述虚拟信号矢量进行叠加合并运算，得到虚实矩阵X；
对所述虚实矩阵X的协方差矩阵进行特征值分解，获取旋转不变因子矩阵对应的特征值Dp；
对所述虚实矩阵X中的参数Φ进行反解，得到信源相对于所述原始接收阵列的俯仰角数值，在所述俯仰角对应的范围内根据MUSIC算法进行一维搜索，确定所述信源相对于所述原始接收阵列的方位角数值。
可选的，所述根据所述原始接收阵列，构建2l组与所述原始接收阵列结构相同的虚拟接收阵列，包括：
令所述原始接收阵列中心的位置作为X‐O‐Y平面的原点，使得所述原始接收阵列中的所述阵元均位于所述X‐O‐Y平面内，构建X‐Y‐Z空间坐标系；
在所述X‐Y‐Z空间坐标系内，沿Z轴的正方向构建L组与所述原始阵列结构相同的虚拟接收阵列，沿Z轴负方向构建L组与所述原始阵列结构相同的虚拟接收阵列。
可选的，所述基于所述虚拟变换因子Bk，对所述原始信号矢量和所述虚拟信号矢量进行叠加合并运算，得到虚实矩阵X，包括：
所述原始信号矢量为x0(t)＝A0s(t)+n0(t)，每个所述虚拟信号矢量为xk(t)＝BkA0s(t)+nl(t)＝B-lA0Φk+ls(t)+nk(t)；
对所述原始信号矢量和2l个所述虚拟信号矢量进行求和运算，得到结合x-l-xl的运算结果，得到叠加求和运算的结果即虚实矩阵 其中，
可选的，对所述虚实矩阵X的协方差矩阵进行特征值分解，获取旋转不 变因子矩阵对应的特征值Dp，包括：
获取所述虚实矩阵X的协方差矩阵，对所述虚实矩阵X的协方差矩阵进行特征值分解，得到虚实信号子空间Us1、Us2；
根据所述虚实信号子空间Us1、Us2的旋转不变关系求得旋转不变因子矩阵，获取所述旋转不变因子矩阵的特征值Dp。
可选的，对所述虚实矩阵X中的参数Φ进行反解，得到信源相对于所述原始接收阵列的俯仰角数值，在所述俯仰角对应的范围内根据MUSIC算法进行一维搜索，确定所述信源相对于所述原始接收阵列的方位角数值，包括：
对所述虚实矩阵中X的参数Φ进行反解，得到信源相对于所述原始接收阵列的俯仰角数值βp＝acos((-angle(1-Dp)*λ/2/π/d))*180/π，其中angle(·)表示取复数·的复角主值；
在该俯仰角数值对应的范围内，根据MUSIC算法进行一维搜索，确定所述信源相对于所述原始接收阵列的方位角数值。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
通过构建的原始接收阵列，将该原始接收阵列在三维空间中进行虚拟处理，得到若干与原始接收矩阵结构相同的虚拟接收阵列，进而分别通过原始接收阵列和虚拟接收阵列进行信源的接收，使用了双线对称虚拟变换的形式，对虚拟子阵接收的数据进行合并运算，最终根据接收到的信号矢量进行数据处理，根据处理结果得到信源相对于原始接收阵列的方位角和俯仰角，从而完成对信源方位的准确测定，相对于现有技术，抵消了因构造旋转不变性子阵而容易造成的阵列孔径损失，提升信号处理的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种任意阵接收对称虚拟变换2D‐DOA分离算法的流程示意图；
图2是本发明提供的圆形的阵列接收模型的结构示意图；
图3是本发明提供的一种任意阵接收对称虚拟变换2D‐DOA分离算法估算俯仰角的结果示意图；
图4是本发明提供的一种任意阵接收对称虚拟变换2D‐DOA分离算法结合一维MUSIC算法搜索方位角的结果示意图；
图5是本发明提供的一种任意阵接收对称虚拟变换2D‐DOA分离算法估算方位角的结果示意图；
图6是现有技术中估算俯仰角的结果示意图；
图7是现有技术中一维MUSIC算法搜索方位角的结果示意图；
图8是现有技术中一维MUSIC算法结合俯仰角搜索方位角的结果示意图；
图9是本发明提供的不同信噪比下，两种算法的俯仰角均方根误差仿真曲线示意图；
图10是不同信噪比下，两种算法的方位角均方根误差仿真曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构作进一步地描述。
实施例一
本发明提供了一种任意阵接收对称虚拟变换2D‐DOA分离算法，如图1所示，所述任意阵接收对称虚拟变换2D‐DOA分离算法，包括：
101、部署用于接收信源的原始接收阵列。
102、根据所述原始接收阵列，构建2l组与所述原始接收阵列结构相同的虚拟接收阵列。
103、通过所述原始接收阵列接收到的原始信号矢量为x0(t)，通过所述2l组虚拟接收阵列接收到的虚拟信号矢量为xk(t)，对所述虚拟信号矢量xk(t)进行虚拟内插变换，得到虚拟变换因子Bk。
104、基于所述虚拟变换因子Bk，对所述原始信号矢量和所述虚拟信号矢量进行叠加合并运算，得到虚实矩阵X。
105、对所述虚实矩阵X的协方差矩阵进行特征值分解，获取旋转不变因子矩阵对应的特征值Dp。
106、对所述虚实矩阵X中的参数Φ进行反解，得到信源相对于所述原始接收阵列的俯仰角数值，在所述俯仰角对应的范围内根据MUSIC算法进行一维搜索，确定所述信源相对于所述原始接收阵列的方位角数值。
在实施中，为了令该算法更容易被理解，这里介绍原始接收阵列的模型，其实本方法中的接收阵列可以为任意形状。如图2所示：有M个具有任意方向性的阵元分布在空间。阵元的坐标分别为(xm ym zm)。选坐标原点为参考点，信号的方位角、俯仰角、频率分别为αp、βp、f。信号入射方向的归一化向量为：
r＝[cosαpsinβp sinαpsinβp cosβp]
其接收信号矢量为
x(t)＝As(t)+n(t)
其中A为信号波达方向角与阵列结构有关的M×P维导向矢量矩阵，s(t)为P×1维信号矢量，n(t)为P×1维噪声矢量。
x(t)＝[x1(t) x2(t) … xM(t)]T
A(αp βp)＝[a(α1 β1) a(α2 β2) … a(αp βp)]
s(t)＝[s1(t) s2(t) … sP(t)]T
n(t)＝[n1(t) n2(t) … nM(t)]T
通过构建的原始接收阵列，将该原始接收阵列在三维空间中进行虚拟处理，得到若干与原始接收矩阵结构相同的虚拟接收阵列，进而分别通过原始接收阵列和虚拟接收阵列进行信源的接收，使用了双线对称虚拟变换的形式，对虚拟子阵接收的数据进行合并运算，最终根据接收到的信号矢量进行数据处理，根据处理结果得到信源相对于原始接收阵列的方位角和俯仰角，从而完成对信源方位的准确测定，相对于现有技术，抵消了因构造旋转不变性子阵而容易造成的阵列孔径损失，提升信号处理的准确性。
可选的，所述根据所述原始接收阵列，构建2l组与所述原始接收阵列结构相同的虚拟接收阵列，包括：
令所述原始接收阵列中心的位置作为X‐O‐Y平面的原点，使得所述原始接收阵列中的所述阵元均位于所述X‐O‐Y平面内，构建X‐Y‐Z空间坐标系；
在所述X‐Y‐Z空间坐标系内，沿Z轴的正方向构建l组与所述原始阵列结构相同的虚拟接收阵列，沿Z轴负方向构建l组与所述原始阵列结构相同的虚拟接收阵列。
在实施中，首先将原始接收阵列的中心作为平面坐标系X‐O‐Y的原点，并使得该原始接收阵列中的阵元均位于X‐O‐Y平面内，进而以平面坐标系X‐O‐Y为基础，构建X‐Y‐Z空间坐标系。
其次，在以构建的X‐Y‐Z空间坐标系内，详情如图2所示，在原始接收阵列沿Z轴正方向的区域内，构建l组虚拟接收阵列，在该区域内，每组虚拟接收阵列的节点的空间坐标为P+lm(xm ym d*l)，对应的，在原始接收阵列沿Z轴负方向的区域内，同样构建l组虚拟接收阵列，在该区域内，每组虚拟接收阵列的节点的空间坐标为P-lm(xm ym -d*l)。其中，m为每个虚拟接收阵列中的阵元数量，d为相邻子阵的间距。
按上述步骤，总共构建2l组用于辅助进行信号接收的虚拟接收阵列，每个虚拟接收阵列都会从各自的位置进行信号接收，从而便于使用这些虚拟接 收阵列辅助原始接收阵列对信源进行定位。
可选的，所述基于所述虚拟变换因子Bk，对所述原始信号矢量和所述虚拟信号矢量进行叠加合并运算，得到虚实矩阵X，包括：
所述原始信号矢量为x0(t)＝A0s(t)+n0(t)，每个所述虚拟信号矢量为xk(t)＝BkA0s(t)+nl(t)＝B-lA0Φk+ls(t)+nk(t)；
对所述原始信号矢量和2l个所述虚拟信号矢量进行求和运算，得到结合x-l-xl的运算结果，得到叠加求和运算的结果即虚实矩阵 其中，
在实施中，首先，原始接收矩阵接收到的信号矢量为x0(t)＝A0s(t)+n0(t)，而每个虚拟接收阵列接收到的信号矢量为xk(t)＝BkA0s(t)+nl(t)，对xk(t)展开后，则有xk(t)＝B- lA0Φk+ls(t)+nk(t)，这里的k＝2l。
其次，将原始接收阵列接收到的信号矢量x0(t)和2l个虚拟接收阵列接收到的信号矢量xk(t)进行求和，得到矢量xΣ，具体的
进一步的，
值得注意的是，
x-l-xl＝(B-lA0-B-lA0Φ2l-1)S+n， (2)
将公式(1)和(2)进行叠加运算，得到虚实矩阵X，具体的：
其中，
在本步骤中，通过将Z轴两个方向的虚拟接收阵列接收到的信号矢量结合原始接收矩阵接收到的信号矢量进行叠加求和运算，能够抵消虚拟变换引入的部分误差，从而提高该分离算法的定位精度。
可选的，对所述虚实矩阵X的协方差矩阵进行特征值分解，获取旋转不变因子矩阵对应的特征值Dp，包括：
获取所述虚实矩阵X的协方差矩阵，对所述虚实矩阵X的协方差矩阵进行特征值分解，得到虚实信号子空间Us1、Us2；
根据所述虚实信号子空间Us1、Us2的旋转不变关系求得旋转不变因子矩阵，获取所述旋转不变因子矩阵的特征值Dp。
在实施中，首先获取虚实矩阵X的协方差矩阵，具体为：
这里X协方差矩阵为：
对协方差矩阵RXX进行特征分解有
RXX＝UΣUH
式中：U为特征矢量矩阵，其中Σ为由特征值组成的对角阵：
且特征值满足如下关系：
λ1≥λ2≥…≥λN＞λN+1＝…＝λM＝σ2
对所述虚实矩阵X的协方差矩阵进行特征值分解，得到虚实信号子空间Us1、Us2；
与P个较大的特征值所对应的特征向量是信号子空间
[US＝[e1 e2 … eP]，所以：
根据特征子空间的性质
此时，存在一个非奇异矩阵T，使得下式成立：
很显然有：
Us2＝Us1T-1(E-Φ)T＝Us1Ψ
即两个子阵信号子空间具有旋转不变性，如果阵列流型A0是满秩的，得：
Φ＝E-TΨT-1
即E-Φ和Ψ是相似变换，具有相同的特征值。
得
由Ψ即可得到Dp。
这样便于根据特征值矩阵Dp确定信源的俯仰以及方位信息。
可选的，对所述虚实矩阵X中的参数Φ进行反解，得到信源相对于所述原始接收阵列的俯仰角数值，在所述俯仰角对应的范围内根据MUSIC算法进行一维搜索，确定所述信源相对于所述原始接收阵列的方位角数值，包括：
对所述虚实矩阵中X的参数Φ进行反解，得到信源相对于所述原始接收阵列的俯仰角数值βp＝acos((-angle(1-Dp)*λ/2/π/d))*180/π，其中angle(·)表示取复数·的复角主值；
在该俯仰角数值对应的范围内，根据MUSIC算法进行一维搜索，确定所述信源相对于所述原始接收阵列的方位角数值。
在实施中，首先根据虚实矩阵X中的参数的表达式，将其中的参数Φ进行反解，得到信源相对于原始接收阵列的俯仰角βp的表达式，详细为
βp＝acos((-angle(1-Dp)*λ/2/π/d))*180/π，
其中，angle(·)表示对()内的复数取复角主值的运算。
其次，当根据上述公式确定了信源的相对于原始接收阵列的俯仰角βp后，在该俯仰角βp对应的范围内，通过峰值检索的方式确定信号接收峰值对应的方位角αp，进而将该方位角αp和俯仰角βp作为信源相对于原始接收阵列的方位信息。
本实施例中提出的一种任意阵接收对称虚拟变换2D‐DOA分离算法，通过构建的原始接收阵列，将该原始接收阵列在三维空间中进行虚拟处理，得到若干与原始接收矩阵结构相同的虚拟接收阵列，进而分别通过原始接收阵列和虚拟接收阵列进行信源的接收，使用了双线对称虚拟变换的形式，对虚拟子阵接收的数据进行合并运算，最终根据接收到的信号矢量进行数据处理，根据处理结果得到信源相对于原始接收阵列的方位角和俯仰角，从而完成对信源方位的准确测定，相对于现有技术，抵消了因构造旋转不变性子阵而容易造成的阵列孔径损失，提升信号处理的准确性。
仿真实验对比
为验证所提算法的有效性，考虑M＝10的任意阵列，每个阵元坐标分别为:
为(-0.33,0.1)、(-0.13,0.18,0)、(0.12,0.175,0)、(0.33,0.1,0)、(0,0.35,0)、(-0.2,0.07,0)、(0.2,-0.07,0)、(0,-0.22,0)、(-0.2,-0.28,0)、(0.2,-0.28,0)。
接收P＝3个窄带信号(60,25)、(50,20)，扇区位置：俯仰角0-30度，方位角40‐70度，步长均为1度，各阵元噪声为零均值白复高斯噪声，以下均为50次独立实验平均结果。
实验1：信噪比为15dB，快拍数300次时，本发明多向虚拟变换算法和二次虚拟内插算法角度估计仿真图。从图3与图6，图4与图7,图5与图8分别对比，可以明显看出两种算法估计角度均在真值附近波动，都略有偏差。
其中，相关附图中的信息如下：
图3：横坐标：试验次数，纵坐标：待估信号源俯仰角；
图4、7：横坐标：角度，纵坐标：谱峰(峰值对应的横坐标为待估信号源方位角)；
图5、8：横坐标：待估信号源俯仰角，纵坐标：待估信号源方位角；
图6：横坐标：试验次数，纵坐标：待估信号源俯仰角；
实验2：信噪比为5dB到20dB，设n＝1,2…,N为试验次数，实验中角度估计的俯仰角均方根误差RMSE定义为
图9所示为快拍数固定为300次，不同信噪比下，两种算法的俯仰角均方根误差仿真曲线。由图可见，两种算法的俯仰角均方根误差均随信噪比的增加而减小并趋于稳定。
图10所示为快拍数固定为300次，不同信噪比下，两种算法的方位角均方根误差仿真曲线。由图可见，两种算法的方位角均方根误差均随信噪比的增加而减小并趋于稳定。
需要说明的是：上述实施例提供的任意阵接收对称虚拟变换2D‐DOA分离算法进行胶液涂覆的实施例，仅作为该任意阵接收对称虚拟变换2D‐DOA分离算法中在实际应用中的说明，还可以根据实际需要而将上述任意阵接收对称虚拟变换2D‐DOA分离算法在其他应用场景中使用，其具体实现过程类似于上述实施例，这里不再赘述。
上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中得先后顺序。
以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种任意阵接收对称虚拟变换2D-DOA分离算法，其特征在于，所述任意阵接收对称虚拟变换2D-DOA分离算法，包括：
部署用于接收信源的原始接收阵列；
根据所述原始接收阵列，构建2l组与所述原始接收阵列结构相同的虚拟接收阵列；
通过所述原始接收阵列接收到的原始信号矢量为x0(t)，通过所述2l组虚拟接收阵列接收到的虚拟信号矢量为xk(t)，对所述虚拟信号矢量xk(t)进行虚拟内插变换，得到虚拟变换因子Bk；
基于所述虚拟变换因子Bk，对所述原始信号矢量和所述虚拟信号矢量进行叠加合并运算，得到虚实矩阵X；
对所述虚实矩阵X的协方差矩阵进行特征值分解，获取旋转不变因子矩阵对应的特征值Dp；
结合所述特征值Dp，对所述虚实矩阵X中的参数Φ进行反解，得到所述信源相对于所述原始接收阵列的俯仰角数值，在所述俯仰角对应的范围内根据MUSIC算法进行一维搜索，确定所述信源相对于所述原始接收阵列的方位角数值。
2.根据权利要求1所述的任意阵接收对称虚拟变换2D-DOA分离算法，其特征在于，所述根据所述原始接收阵列，构建2l组与所述原始接收阵列结构相同的虚拟接收阵列，包括：
令所述原始接收阵列中心的位置作为X-O-Y平面的原点，使得所述原始接收阵列中的阵元均位于所述X-O-Y平面内，构建X-Y-Z空间坐标系；
在所述X-Y-Z空间坐标系内，沿Z轴的正方向构建l组与所述原始接收阵列结构相同的虚拟接收阵列，沿Z轴负方向构建l组与所述原始接收阵列结构相同的虚拟接收阵列。
3.根据权利要求1所述的任意阵接收对称虚拟变换2D-DOA分离算法，其特征在于，对所述虚实矩阵X的协方差矩阵进行特征值分解，获取旋转不变因子矩阵对应的特征值Dp，包括：
获取所述虚实矩阵X的协方差矩阵，对所述虚实矩阵X的协方差矩阵进行特征值分解，得到虚实信号子空间Us1、Us2；
根据所述虚实信号子空间Us1、Us2的旋转不变关系求得旋转不变因子矩阵，获取所述旋转不变因子矩阵对应的特征值Dp。
4.根据权利要求1所述的任意阵接收对称虚拟变换2D-DOA分离算法，其特征在于，对所述虚实矩阵X中的参数Φ进行反解，得到信源相对于所述原始接收阵列的俯仰角数值，在所述俯仰角对应的范围内根据MUSIC算法进行一维搜索，确定所述信源相对于所述原始接收阵列的方位角数值，包括：
对所述虚实矩阵X中的参数Φ进行反解，得到信源相对于所述原始接收阵列的俯仰角数值βp＝acos((-angle(1-Dp)*λ/2/π/d))*180/π，其中angle(·)表示取复数·的复角主值；
其中，d为虚拟接收阵列中相邻子阵的间距；
在该俯仰角数值对应的范围内，根据MUSIC算法进行一维搜索，确定所述信源相对于所述原始接收阵列的方位角数值。
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