CN104931920A - Iesprit,一种基于任意阵列的空间信号doa的快速估计算法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种名为IESPRIT(迭代ESPRIT)算法，它是一种无偏，渐进一致的对空间信号到达角(DOA)的快速估计算法，能广泛用于雷达，声纳，无线传感器阵列等用于空间目标定位，跟踪的应用系统。IESPRIT突破了ESPRIT算法只能适用于规则具有移不变性的阵列的限制，可以普遍适用于任意结构阵列对空间信号的DOA估计，其将ESPRIT视作特例，因此具有极大的理论研究和应用价值，特别是适用于共形阵对DOA的估计。IESPRIT算法采用迭代的方法，每次迭代前对原始数据或者由原始数据获取的信号特征空间矩阵数据进行相位补偿，使之更加接近于设定的参考阵，再利用参考阵具有移不变性的特点采用ESPRIT估计出比上一次更加准确的结果，直到迭代稳定到唯一的真值。

Description

IESPRIT,一种基于任意阵列的空间信号DOA的快速估计算法
IESPRIT，全称Iterative Estimation of Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques，中文名为“迭代的利用旋转不变技术估计信号参数”算法，是一种基于任意阵列的，对空间信号群到达角度(DOA，Direction of Arrival)的无偏的，渐进一致的快速估计算法。算法适用性强，运算效率高，易工程模块化软硬件实现。 
技术领域，空间信号DOA估计或者空间谱估计技术，特别是共形阵(任意阵)的空间谱超分辨率估计技术有着重要的理论研究和实际应用价值。利用天线阵或者无线传感器对空间目标定位已在各种军、民用系统中得到大量应用，雷达阵对空间敌友目标的甄别，跟踪都需要以准确估计目标空间方位为前提；在太空中的天文观测阵系统以及在海洋中对水中目标的定位的声纳系统最基本的工作任务就是估计目标方位；在现代无线通信系统中，利用“智能天线”来确定用户的方位，使得与之的通信波束达到最窄来提高系统容量，增加传输速率，其前提就是准确估计信号方位；此外在地震波接收，射线断层成像等都需要用到DOA的估计。 
背景技术，在各种定位，跟踪系统中，传统的估计DOA估计方法就是扫描，匹配方法，在可能的空间方位进行扫描，利用传统的波束形成方法得到最大接收功率对用的方向，但是分辨率低，不适用高要求场合。各种突破传统估计方法精度的所谓超分辨率估计算法中，ML(Maximum Likelihood，最大似然)类算法运算量非常大，MUSIC(Multiple Signal Classification，多重信号分类法)类算法根据信号特征空间和噪声特征空间正交的特性，搜索所有可能的方向候选值来确定最适合的值作为DOA估计，MUSIC算法普遍适合任意阵列，但往往需要进行多维的空间搜素再来比对，因此运算量相当大，实时实现困难；ESPRIT(Estimation of Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques)类算法利用子阵列的移不性来快速估计DOA，运算量小，效率高，但需要阵列是规则阵列，能够划分出两个具有移不变的子阵列；内插的虚拟阵列技术可以在一定空间角度内将任意阵列与设定的理想移不变阵列近似，但估计存在偏差并且空间近似范围越大，误差越大，并不具有普适性。 
发明内容，本发明成功解决了空间任意阵(共形阵，或不规则阵)对空间信号DOA的快速估计难题，算法的实质是利用信号初始估计值来确定实际阵列与某一选定的规则参考阵列的相位差，从而对原始信号或者由原始信号得到的信号特征空间矩阵进行相位补偿，即更新数据，然后利用更新后的数据再进行快速ESPRIT计算，得到更进一步接近真实的DOA估计，如此反复迭代，直到迭代输入的数值和输出的值近似相等为止。理论和仿真数据指明，这个迭代的稳定值就为唯一的方位真值。于是，本发明IESPRIT算法就成功地解决了任意阵列，包括共形阵在内的不规则阵列的DOA或空间谱快速估计问题。更新数据后的得到的 
附图说明，图1是一个不规则线阵示意图，其中实心圆表示阵列天线的实际位置，而空心圆表示参考阵的位置；图2是用本发明IESPRIT算法作用于空间半球共形阵示意图，其中空间大圆弧上放置的是实际的天线阵元，平面内空心圆是相应的参考阵的阵元；图3是IESPRIT算法的并行实现形式，适用于功率不等的D个空间信号的DOA估计；图4是IESPRIT算法的一般实现形式；图5是对半球共形阵采用IESPRIT算法，在入射信号方位角为65度，俯仰角为45度，不同信噪比情况下的方位角估计结果；图6是同一情况下俯仰角的估计仿真结果，采样数据1000，设定角度差阈值0.2度，每个信噪比下10次仿真实验。 
具体实施方式，
(1)由实际的阵列获得阵元空间位置矩阵(如X，Y)，再由确定好的参考阵获得参考阵的空间位置坐标(如X’，Y’)，得到对应阵列之间的位置偏差矩阵(如ΔXX′，ΔYY′) 
(2)对样本进行预处理，去除互耦，通道幅相误差等影响；若使用信号特征空间矩阵进行更新数据，则先使用阵列快拍输出(采样输出)通过计算样本协方差矩阵，然后进行特征分解，获取最大D个特征值所对用的特征向量作为信号特征空间矩阵Us
(3)由快拍或者信号特征空间矩阵使用经典ESPRIT算法基于参考阵进行方向初估值，得到D个空 间信号的初始二维角度并将之记为第j次迭代(j＝O)； 
(4)依次将上次估计的方位值结合位置偏差矢量ΔXX′，ΔYY′获得针对X阵列和Y阵列的相位补偿矩阵
其中是输入的第j次(上次)第i个信号的方位角和俯仰角，是ΔXX′的第m个阵元位置偏差的x坐标，是ΔYY′的第m个阵元位置偏差的y坐标，其余同理。 
(5)将上一步得到的相位补偿阵用于原始快拍数据或者信号特征空间进行更新，得到： 
或者 
(6)对更新数据进行ESPRIT二维角估值，若输入方向角数据和其中的一个输出方向估值相同，则此值即为某一信号DOA，停止对该数据的迭代；否则转向第(4)步进行下一次迭代。 
(7)当所有的数据迭代完成后将得到D个最终的二维方向估值。 

Claims (3)

  1. IESPRIT(Iterative Estimation of Signal Parameters Via Rotational Techniques)，一种基于任意阵列的空间信号DOA(Direction of Arrival)的快速估计算法。
    本发明采用迭代的方法，利用相位补偿原理作用于任意天线阵列(无线传感器网络)的输出数据或由输出数据得到的特征空间数据上，从而利用ESPRIT技术获取空间信号群的到达角(DOAs)估计。本发明解决了ESPRIT算法不能适用于任意不规则阵列的难题。算法运算量小，精度高，易于模块化工程实现。
    本发明有以下3项权利要求：
    1.任意天线阵列(包括共形阵)，无线传感器网络在对空间目标方位估计(定位)时，采用相位补偿，从而迭代快速求解的DOA估计算法及实现系统，包括但不限于利用此算法实现的对各种空间或水中目标进行定位，跟踪等宽，窄带系统。
  2. 2.任意DOA估计中采用本发明所创造的相位补偿，迭代求解思想的软硬件实现模块，子系统。
  3. 3.任何采用本发明所创造的相位补偿，迭代求解方法进行DOA估计其它延伸的应用，如阵列校正等应用系统。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106405487A (zh) * 2016-10-17 2017-02-15 重庆邮电大学 一种通用基于扩展esprit技术的空间谱估计方法
CN107015198A (zh) * 2017-05-08 2017-08-04 西安电子科技大学 一种基于天线非规则布设的室内定位方法
CN107479025A (zh) * 2017-08-15 2017-12-15 重庆邮电大学 一种单快拍大规模线阵空间谱估计方法
CN107515382A (zh) * 2017-08-21 2017-12-26 电子科技大学 一种基于相位补偿的动目标doa跟踪方法
CN107870315A (zh) * 2017-11-06 2018-04-03 重庆邮电大学 一种利用迭代相位补偿技术估计任意阵列波达方向方法
CN108919174A (zh) * 2018-05-28 2018-11-30 北京交通大学 非规则天线阵列结构的短波无线电测向系统和方法
CN112630726A (zh) * 2020-11-18 2021-04-09 上海磐启微电子有限公司 一种弧形阵列定位方法及系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104215974A (zh) * 2014-09-15 2014-12-17 中国航天标准化研究所 一种卫星导航系统的完好性监测可用性确定方法
CN104375133A (zh) * 2014-11-11 2015-02-25 西北大学 一种空间二维doa的估算方法
CN104407335A (zh) * 2014-10-24 2015-03-11 哈尔滨工业大学深圳研究生院 一种3轴交叉阵列的doa估计方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104215974A (zh) * 2014-09-15 2014-12-17 中国航天标准化研究所 一种卫星导航系统的完好性监测可用性确定方法
CN104407335A (zh) * 2014-10-24 2015-03-11 哈尔滨工业大学深圳研究生院 一种3轴交叉阵列的doa估计方法
CN104375133A (zh) * 2014-11-11 2015-02-25 西北大学 一种空间二维doa的估算方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
EGEMEN GONEN ET AL.: "An Iterative Virtual-ESPRIT Algorithm (IVESPA)", 《8TH IEEE SIGNAL PROCESSING WORKSHOP ON STATISTICAL SIGNAL AND ARRAY PROCESSING》 *
LEI WANG ET AL.: "Reduced-rank DOA estimation based on joint iterative subspace recursive optimization and grid search", 《 2010 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON ACOUSTICS SPEECH AND SIGNAL PROCESSING (ICASSP)》 *
张瑾等: "一种均匀圆阵DOA估计算法", 《空间电子技术》 *
王鼎等: "基于旋转不变子空间均匀圆阵互耦自校正算法", 《电波科学学报》 *

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106405487A (zh) * 2016-10-17 2017-02-15 重庆邮电大学 一种通用基于扩展esprit技术的空间谱估计方法
CN106405487B (zh) * 2016-10-17 2018-08-21 重庆邮电大学 一种通用基于扩展esprit技术的空间谱估计方法
CN107015198A (zh) * 2017-05-08 2017-08-04 西安电子科技大学 一种基于天线非规则布设的室内定位方法
CN107015198B (zh) * 2017-05-08 2020-03-17 西安电子科技大学 一种基于天线非规则布设的室内定位方法
CN107479025A (zh) * 2017-08-15 2017-12-15 重庆邮电大学 一种单快拍大规模线阵空间谱估计方法
CN107515382A (zh) * 2017-08-21 2017-12-26 电子科技大学 一种基于相位补偿的动目标doa跟踪方法
CN107515382B (zh) * 2017-08-21 2019-12-06 电子科技大学 一种基于相位补偿的动目标doa跟踪方法
CN107870315A (zh) * 2017-11-06 2018-04-03 重庆邮电大学 一种利用迭代相位补偿技术估计任意阵列波达方向方法
CN107870315B (zh) * 2017-11-06 2021-07-30 重庆邮电大学 一种利用迭代相位补偿技术估计任意阵列波达方向方法
CN108919174A (zh) * 2018-05-28 2018-11-30 北京交通大学 非规则天线阵列结构的短波无线电测向系统和方法
CN112630726A (zh) * 2020-11-18 2021-04-09 上海磐启微电子有限公司 一种弧形阵列定位方法及系统
CN112630726B (zh) * 2020-11-18 2024-03-29 上海磐启微电子有限公司 一种弧形阵列定位方法及系统

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