CN108414985A - 基于三阶循环累积量的近场定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于三阶循环累积量的近场定位方法，采用线性均匀对称分布阵元的阵列接收目标信号，对目标信号进行采样得到多路数字实信号，取多路数字实信号中的三路信号做三阶累积量，作为矩阵元素构造矩阵并进行特征值分解，构造噪声矩阵，进行谱峰搜索，根据K个峰值得到准确的方位角；利用特征矢量进行史密斯正交化，得到正交矩阵，对距离进行估计，得到K个信源对应的距离信息。本发明可以有效的抑制噪声影响，避免孔径损失，使得可以同时估计的阵元数目增加；本发明降低了算法实现的复杂度。

Description

基于三阶循环累积量的近场定位方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于对称结构线性阵列的近场测向定位方法。

背景技术

传统的空间谱估计算法通常假设信源位于阵列的远场区域，然而在许多实际应用中，信源往往位于阵列的近场，这将引起远场算法性能的下降，甚至完全失效。近年来，已有许多近场定位的方法提了出来。但是，基于二阶统计量的近场定位算法存在孔径损失和精度较低等问题；另一方面，针对四阶累积量的近场定位方法的计算量较大，在实际应用，计算量对实时性的影响最大，使得近场定位的许多算法在实际应用中存在较大的问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于三阶累积量的近场定位算法，针对雷达信号具有循环平稳这一特性，在尽量不损失其测向精度的同时，解决了四阶累积量计算量过大的问题，同时利用了三阶累积量的零高斯特点，可以获得相当好的定位精度，而且解决了基于二阶累积量相关算法所存在的孔径损失问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1，采用2M+1个线性均匀对称分布阵元的阵列接收目标信号，其中，M不小于待定位信源数的2倍，阵元间隔设置为入射波波长的四分之一；

步骤2，对目标信号进行深度为T的采样并得到多路数字实信号x_i(t)，其中，i＝-M,…1,…,M；取多路数字实信号中的三路信号x_p(t)、x_l(t)、x_-l(t)做三阶累积量得到其中α表示循环平稳信号的循环因子，p,l的取值均为(-M,M)；

步骤3，构造矩阵并进行特征值分解，D、Λ分别表示矩阵C特征值分解的特征向量和特征值；Λ、D中各元素由大至小排列得到和

步骤4，构造噪声矩阵利用公式进行谱峰搜索，k＝1,...,K，根据K个峰值得到准确的方位角θ，其中，a₁(θ)＝[e^j2(-M)ω,...,e^{j2 (M-1)ω},e^j2Mω]^T，d是相邻阵元间隔，λ是入射信号波长；

步骤5，当对[d₁ ^α,d₂ ^α,…,d_K ^α]进行史密斯正交化，得到正交矩阵对距离进行估计，得到K个信源对应的距离信息其中，含有待估计参数的近场波程差的二阶项r表示目标的距离。

本发明的有益效果是：

本发明相较于基于二阶累积量的近场定位方法，三阶累积量的本身特性可以有效的抑制噪声的影响，而且避免了孔径损失，使得可以同时估计的阵元数目增加。

本发明相较于基于四阶累积量的近场定位方法，三阶累积量计算量更小，所需的数据存储空间也相对减少，降低了算法实现的复杂度。

附图说明

图1是本发明的阵元布局示意图；

图2是本发明的坐标系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供的基于三阶累积量的近场定位方法主要包括以下步骤：

a)阵列排布：该系统有2M+1个线性均匀对称分布的阵列，其中，为保证精度，M取值不小于待定位信源数的2倍，阵元间隔设置为入射波波长的四分之一，阵元编号从左至右依次从-M至M排序。

b)数据采集：对均匀对称线阵天线阵列依次进行深度为T的采样并得到多路数字实信号x_i(t)，其中i＝-M,…1,…,M。依据公式(1)计算三阶循环累积量，其中α表示循环平稳信号的循环因子，α取值由实际发射信号循环频率决定，范围为(0,π)，取多路数字实信号的三路信号x_p(t)、x_l(t)，x_-l(t)做三阶累积量得到c(p,l)，p,l的取值均为(-M,M)，矩阵元素c(p,l)求解表达式如下：

按以下方式构造矩阵C：

c)矩阵分解及噪声空间重构：对得到的三阶循环累积量C进行特征值分解，即CD＝DΛ；其中D、Λ分别表示C矩阵特征值分解的特征向量和特征值。把特征值以及特征向量Λ、D按由大至小排列分别得到：

很显然λ_K+1＝…＝λ_2K+1＝0，所以我们得到如下等式

d)方位解算：构造噪声矩阵可以得到目标的方位角信息如下，a₁(θ_k)的表达式如公式(7)：

a₁(θ)＝[e^j2(-M)ω,...,e^j2(M-1)ω,e^j2Mω]^T (7)

其中，d是阵元间隔，λ是入射信号波长，θ为入射方位角，搜索范围是(0°，360°)。

e)距离解算：当d_k由a₂(θ,r)的线性组合构成的。a₂(θ,r)的表达式如下(9)，即对[d₁ ^α,d₂ ^α,…,d_K ^α]进行史密斯正交化，得到正交矩阵所以，距离估计可以由下式得到：

其中，表示估计出的距离值，含有待估计参数的近场波程差的二阶项：r表示目标的距离，其搜索范围是：r∈[0.62(D³/λ)^1/2,2D²/λ]，其他符号含义和上述一致。

本发明的实施例提出了一种基于对称结构的均匀线阵的针对循环平稳类信号的近场定位估计方法，本实施例中天线阵列的阵元个数为15，分布为波长的四分之一，循环频率取值为0.25π，如图1，该方法包括以下步骤：

步骤一：各阵元天线接收的雷达信号或其他目标信号，经过下变频后得到中频模拟信号，再对中频模拟信号进行1024点A/D采样，得到十五路数字实信号。

步骤二：从选择三路天线编号接收的数据按公式(2)进行三阶循环累积量运算。得到矩阵元素c(p,l)。

步骤三：构造矩阵C，按公式(3)对矩阵C进行特征值分解，把特征值由大到小排列。

步骤四：由步骤三得到的特征矢量，除去前K(K为信号源数)个特征值对应的特征矢量，组成噪声矩阵U_n ^α，利用上述公式(6)进行谱峰搜索，根据K个峰值得到准确的方位角θ信息；

步骤五：利用步骤三得到的前K个特征值对应的特征矢量，对其进行史密斯正交化，得到正交矩阵根据步骤五得到的角度信息，利用公式(8)对距离进行估计，得到K个信源对应的距离信息。

为了使本领域普通技术人员理解本发明，而对本发明进行了详细描述，但可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其他的变化和修改，这些变化和修改均在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于三阶循环累积量的近场定位方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1，采用2M+1个线性均匀对称分布阵元的阵列接收目标信号，其中，M不小于待定位信源数的2倍，阵元间隔设置为入射波波长的四分之一；

步骤2，对目标信号进行深度为T的采样并得到多路数字实信号x_i(t)，其中，i＝-M,…1,…,M；取多路数字实信号中的三路信号x_p(t)、x_l(t)、x_-l(t)做三阶累积量得到其中α表示循环平稳信号的循环因子，p,l的取值均为(-M,M)；

步骤3，构造矩阵并进行特征值分解，D、Λ分别表示矩阵C特征值分解的特征向量和特征值；Λ、D中各元素由大至小排列得到和

步骤4，构造噪声矩阵利用公式进行谱峰搜索，k＝1,...,K，根据K个峰值得到准确的方位角θ，其中，a₁(θ)＝[e^j2(-M)ω,...,e^j2(M-1)ω,e^j2Mω]^T，d是相邻阵元间隔，λ是入射信号波长；

步骤5，当 对[d₁ ^α,d₂ ^α，…,，d_K ^α]进行史密斯正交化，得到正交矩阵对距离进行估计，得到K个信源对应的距离信息其中，含有待估计参数的近场波程差的二阶项r表示目标的距离。