CN109298400A - 一种基于正交匹配追踪的去干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于正交匹配追踪的去干扰方法，包括以下步骤：S1、获取阵列采集到的目标信号，对其进行复数化处理；S2、构造正交匹配追踪所用的字典集；S3、通过字典集进行搜索，找到干扰信号，并将干扰信号从接收到的目标信号中去除；S4、对去除干扰信号后的目标信号，采用波束形成算法，进行波束形成处理；S5、根据波束形成处理的结果，计算得到目标方位。本发明可以实现干扰信号下的目标方位估计，并且针对相干信号情况下，采用特征分解类方法会因为缺秩导致方位估计结果错误，而利用正交匹配追踪对于相干信号的不敏感性，可以将此类信号去除，达到在有干扰情况下目标方位估计的目的。

Description

一种基于正交匹配追踪的去干扰方法

技术领域

本发明涉及信号处理和方位估计技术领域，尤其涉及一种基于正交匹配追踪的去干扰方法。

背景技术

波束形成技术是目标方位估计中的经典方法，也是工程实践中较为常用的方法。该方法运算简单，硬件系统易于实现。当存在干扰时，常规波束形成失效，需要采用一些权更新的波束形成算法。该类算法虽然能抑制干扰，但是往往需要进行协方差矩阵运算，或者权矢量的更新，而这类算法都需要进行重复的迭代运算更新权矢量。

正交匹配追踪技术则是压缩感知理论中一种成熟算法，该类算法与小波变换等理论存在显著区别，由于其压缩字典中的向量为非正交向量，这使得其构造方式与正交向量不同，这可以有效的降低表示的复杂程度。正交匹配追踪算法可以通过简单的迭代，从信号中提取出期望的信号，在这里我们将其用于提取干扰信号，从而达到目标信号的提纯。

本发明主要利用正交匹配追踪算法对来波信号进行处理，将其中存在的非期望信号去除，达到信号提纯目的，再将提纯后的信号进行波束形成处理，得到目标方位。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中在目标方位估计中，经常存在干扰情况的缺陷，提供一种基于正交匹配追踪的去干扰方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于正交匹配追踪的去干扰方法，该方法包括以下步骤：

S1、获取阵列采集到的目标信号，对其进行复数化处理；

S2、构造正交匹配追踪所用的字典集；

S3、通过字典集进行搜索，找到干扰信号，并将干扰信号从接收到的目标信号中去除；

S4、对去除干扰信号后的目标信号，采用波束形成算法，进行波束形成处理；

S5、根据波束形成处理的结果，计算得到目标方位。

进一步地，本发明的步骤S1的具体方法为：

阵列接收信号为实信号，其接收到的信号表示为x(t)，将实信号x(t)进行Hilbert变换，Hilbert变换公式如下：

为x(t)的Hilbert变换结果，为复信号，令y即为经过Hilbert变换后的复信号。

进一步地，本发明的步骤S2的具体方法为：

初始化残差信号r，令r＝y，r为残差信号，初始化干扰信号的方位角θ_i及频率信息f_i，令i＝0；根据θ_i和f_i建立字典集G，其中字典集的范围以θ_i为中心，向两边各自扩展若干个原子；

字典集G的建立与实际使用情况相关，在目标方位估计理论中，字典集中的原子与阵列的导向矢量形式相同，即：

进一步地，本发明的步骤S3的具体方法为：

将字典集G中的每一个原子与残差信号r进行相关计算，得到与残差信号r相关性最大原子的坐标k_c：

将相关性最强的原子标准k_c并入到非零元素坐标集合中：

Λ＝Λ∪{k_c}

将原始信号y向当前非零元素原子构成的子空间进行正交投影，投影系数为：

更新残差信号：

r＝y-G_Λz_Λ

i＝i+1

如果此时i与空间中存在的干扰个数K相同，那么迭代终止，返回得到残差信号r；如果i＜K，则返回进行下一次迭代，直到i与K相同时，迭代终止，返回残差信号r；

此时，残差信号r已经经过了K次迭代，此时的残差信号r，是已经从接收信号y中去除了K个相关性最强的信号的残余信号，这时的残差信号r已经去除了干扰信号。

进一步地，本发明的步骤S4的具体方法为：

在得到残差信号r后，此时对于远场窄带信号，波束形成器的输出表示为：

z(t)＝ω^H(θ_s)r

式中ω(θ_s)＝[ω₁(θ_s)ω₂(θ_s)…w_M(θ_s)]^T称为波束形成的权值，θ_s为波束的指向性角；波束形成的权值是复数形式，模代表幅度加权，幅角为相位延时；在常规波束形成中，波束的权值不会随外界条件的变化而变化，波束形成器的输出功率为：

进一步地，本发明的步骤S5的具体方法为：

随着波束的旋转，波束形成器输出功率会随着旋转角度θ_s的变化产生幅度上的差异，即P(θ_s)会产生变化，其中，一定会在某一角度上形成一个最大值，此时，最大波束输出所对应的角度θ_max即为实际目标方位：

本发明产生的有益效果是：本发明的基于正交匹配追踪的去干扰方法，可以实现干扰信号下的目标方位估计，并且针对相干信号情况下，采用特征分解类方法会因为缺秩导致方位估计结果错误，而利用正交匹配追踪对于相干信号的不敏感性，可以将此类信号去除，达到在有干扰情况下目标方位估计的目的。该方法能用于存在干扰情况下的目标方位估计，与现有的方法不同点在于，先对信号进行去干扰处理再进行目标方位估计，其性能优于现有此类算法。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的仿真试验结果图；

图2是本发明实施例的试验数据分析结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的采用阵列正交匹配追踪技术、波束形成技术，其主要步骤如下：1.将阵列采集信号进行复数化处理；2.构造正交匹配追踪所用字典集；3.进行搜索，找到干扰信号并将其从接收信号中去除；4.采用常规波束形成技术对目标进行波束形成；5.计算得出目标方位。

其具体实施步骤如下：

1.初始化残差信号，令r＝y，初始化干扰信号的方位角θ_i及频率信息f_i，令i＝0；

2.根据θ_i和f_i建立字典集G，其中字典集的范围可以以θ_i为中心，向两边各自扩展几个原子。对字典集G中的原子进行搜索，找到与残差信号r相关性最强的原子坐标k_c，k_c的表达式为：

3.将相关性最强的原子标准k_c并入到非零元素坐标集合中：

Λ＝Λ∪{k_c}

4.将原始信号y向当前非零元素原子构成的子空间进行正交投影，投影系数为：

5.更新残差信号：

r＝y-G_Λz_Λ

i＝i+1

如果此时i与空间中存在的干扰个数K相同，那么迭代终止，返回得到的残差信号r。如果i＜K，则返回进行下一次迭代，直到i与K相同时，迭代终止，返回残差r。将得到的残差信号r进行波束形成计算，得到目标方位。

图1为仿真试验结果。仿真信号为单频窄带信号，阵列采用平面双层圆阵。期望信号方向为0度，干扰方向为30度。采用对角加载自适应波束形成(ADL-SMI)和本发明的算法(OMP-CBF)对比如下：OMP-CBF在保证期望信号方向最大的基础上，可以在干扰方向上形成更深的零陷；并且其旁瓣高度明显低于ADL-SMI，并且主瓣宽度明显小于ADL-SMI，这使得OMP-CBF在抑制干扰、目标方位估计方面拥有更优异的性能。

图2为试验数据分析结果，发射信号为0方向上的单频窄带信号，干扰方向为30度单频窄带信号。将采集数据进行分段处理，共进行13次方位估计。下图为采用对角加载自适应波束形成(ADL-SMI)和本发明的算法(OMP-CBF)。从图中可以看出，两种算法均可以在0度方向上形成主瓣，本发明可以在干扰方向上产生更深的零陷，并且其整体旁瓣高度明显低于ADL-SMI算法。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于正交匹配追踪的去干扰方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、获取阵列采集到的目标信号，对其进行复数化处理；

S2、构造正交匹配追踪所用的字典集；

S3、通过字典集进行搜索，找到干扰信号，并将干扰信号从接收到的目标信号中去除；

S4、对去除干扰信号后的目标信号，采用波束形成算法，进行波束形成处理；

S5、根据波束形成处理的结果，计算得到目标方位。

2.根据权利要求1所述的基于正交匹配追踪的去干扰方法，其特征在于，步骤S1的具体方法为：

阵列接收信号为实信号，其接收到的信号表示为x(t)，将实信号x(t)进行Hilbert变换，Hilbert变换公式如下：

为x(t)的Hilbert变换结果，为复信号，令y即为经过Hilbert变换后的复信号。

3.根据权利要求2所述的基于正交匹配追踪的去干扰方法，其特征在于，步骤S2的具体方法为：

初始化残差信号r，令r＝y，r为残差信号，初始化干扰信号的方位角θ_i及频率信息f_i，令i＝0；根据θ_i和f_i建立字典集G，其中字典集的范围以θ_i为中心，向两边各自扩展若干个原子；

字典集G的建立与实际使用情况相关，在目标方位估计理论中，字典集中的原子与阵列的导向矢量形式相同，即：

4.根据权利要求3所述的基于正交匹配追踪的去干扰方法，其特征在于，步骤S3的具体方法为：

将字典集G中的每一个原子与残差信号r进行相关计算，得到与残差信号r相关性最大原子的坐标k_c：

将相关性最强的原子标准k_c并入到非零元素坐标集合中：

Λ＝Λ∪{k_c}

将原始信号y向当前非零元素原子构成的子空间进行正交投影，投影系数为：

更新残差信号：

r＝y-G_Λz_Λ

i＝i+1

如果此时i与空间中存在的干扰个数K相同，那么迭代终止，返回得到残差信号r；如果i＜K，则返回进行下一次迭代，直到i与K相同时，迭代终止，返回残差信号r；

此时，残差信号r已经经过了K次迭代，此时的残差信号r，是已经从接收信号y中去除了K个相关性最强的信号的残余信号，这时的残差信号r已经去除了干扰信号。

5.根据权利要求4所述的基于正交匹配追踪的去干扰方法，其特征在于，步骤S4的具体方法为：

在得到残差信号r后，此时对于远场窄带信号，波束形成器的输出表示为：

z(t)＝ω^H(θ_s)r

式中ω(θ_s)＝[ω₁(θ_s) ω₂(θ_s) … w_M(θ_s)]^T称为波束形成的权值，θ_s为波束的指向性角；波束形成的权值是复数形式，模代表幅度加权，幅角为相位延时；在常规波束形成中，波束的权值不会随外界条件的变化而变化，波束形成器的输出功率为：

6.根据权利要求5所述的基于正交匹配追踪的去干扰方法，其特征在于，步骤S5的具体方法为：

随着波束的旋转，波束形成器输出功率会随着旋转角度θ_s的变化产生幅度上的差异，即P(θ_s)会产生变化，其中，一定会在某一角度上形成一个最大值，此时，最大波束输出所对应的角度θ_max即为实际目标方位：