CN110542880A

CN110542880A - 一种频点部分交叠条件下的doa估计策略

Info

Publication number: CN110542880A
Application number: CN201910746317.2A
Authority: CN
Inventors: 冯明月; 何明浩; 韩俊; 蒋莹; 陈昌孝; 郁春来; 王庚; 唐玉文; 唐瑭; 杨朝; 唐晓杰
Original assignee: Individual
Current assignee: Air Force Early Warning Academy
Priority date: 2019-08-13
Filing date: 2019-08-13
Publication date: 2019-12-06

Abstract

本发明涉及DOA估计策略技术领域，且公开了一种频点部分交叠条件下的DOA估计策略，基于耦合矩阵和噪声子空间，利用基于信号方向向量矩阵重构算法，估计二维DOA，根据松弛互素稀疏阵列、Tsui频谱校正器获取校正后的频率、幅值、相位的参数组，根据校正后的相位信息和幅值信息构造均值矢量，根据相位和均值矢量的关系得到阵元上信号的相位估计，通过做差得到两个相位差值，对L路信号样本做Mf点DFT，利用Tsui频谱校正器对DFT结果进行频率和相位校正，得到校正后的D组频率、相位、幅值的参数组。通过对阵列方向向量矩阵的重建以及辅助阵元的选择，可以减小了频点部分交叠部分，保证了信号的正常状态，提高频点的C/I值。

Description

一种频点部分交叠条件下的DOA估计策略

技术领域

本发明涉及DOA估计策略技术领域，具体为一种频点部分交叠条件下的 DOA估计策略。

背景技术

DOA(波达方向)在信号处理领域，例如雷达、声呐系统中始终有着非常重要的作用，由于电磁波到达两个位置不同的接收天线的时间不同，会使它们输出的信号的相位或多或少的存在不同，波达方向估计就是利用多个特性相同阵元组成的阵列输出信号相位的区别，通过数学运算得到它们入射到阵列时的方位信息，常规波束形成法被认为是最早的基于阵列的波达方向估计 (DirectionofArrival,DOA)算法，也被称为波束形成法，波束形成法。采用该方法时阵列对角度的分辨能力，会受到阵列的尺寸的限制，为此，只有增大天线孔径才能够提高空域处理的精度，目前，在频点部分交叠条件下DOA 就会受到干扰，频点受到干扰后，就会出现信号不稳，话质差，而且该频点的C/I值也同样很差；网络断开等一系列状况。

发明内容

本发明为实现技术目的采用如下技术方案：

一种频点部分交叠条件下的DOA估计策略，包括以下步骤：

S1、基于耦合矩阵和噪声子空间，利用基于信号方向向量矩阵重构算法，估计二维DOA。

S2、根据松弛互素稀疏阵列、Tsui频谱校正器获取校正后的频率、幅值、相位的参数组。

S3、根据校正后的相位信息和幅值信息构造均值矢量，根据相位和均值矢量的关系得到阵元上信号的相位估计，通过做差得到两个相位差值。

S4、对L路信号样本做Mf点DFT，利用Tsui频谱校正器对DFT结果进行频率和相位校正，得到校正后的D组频率、相位、幅值的参数组，利用参数组构造出D个方向矢量。

S5、建立接收阵列模型,理想全向一致阵元均匀排列于直角坐标系的三个坐标轴上,除坐标原点的阵元外,三个坐标轴上阵元数分别为m_x，m_y。m_z,总阵元数为M(M＝m_x+m_y+m_z+1),阵元间距为d，假设空间有p个信号{s_k(t)}^p _k＝1从 2-DDOA{(θ_K,Φ_K),K＝1,2,…,Φ照射此阵,其中,0代表第k个信号[0,2π]上的方位角,Φ_K代表第k个信号[0,π]上与z轴的夹角，对信号作如下假设:AS1)s_k(t)为零均值非高斯信号,信号之间统计独立且同中心频率,阵元间距d等于信号半波长；s_k(t)的四阶累量不为零；阵列输出噪声为零均值的、时空统计独立的高斯色噪声或白高斯噪声，且与信号不相关。

S6、建立一互质阵列模型，用2P+Q-1个天线接收机形成互质阵列，其中 P、Q分别表示两个互质的数，其取值范围为Q＞P≥2。

S7、从信号源向呈一维线阵排列的天线阵列中每个阵元输入信号，并采集每个阵元的观测数据，得到观测数据向量矩阵；采集每个阵元的观测数据，得到观测数据向量矩阵，包括：以预设的采样频率，在预设的采样时间内，对所述天线阵列中每一阵元在输入信号的作用下产生观测数据进行采集。

S8、所述根据D个信源参数匹配信息构造频率余数组，并将频率余数组带入闭式鲁棒中国余数定理模型进行重构，得出频率估计值具体为：根据多信源参数分组匹配、以及单信源频率估计获取多个信源频率估计。

S9、计算阵列接收矢量。

作为优化，所述步骤S1还包括：基于耦合矩阵，对信号的方向向量矩阵进行重构；基于噪声子空间，估计出DOA。

作为优化，所述L路信号具体为：设置包含L个阵元的稀疏线性天线阵列，每个阵元位置布置两个ADC采样器；各阵元的两个ADC采样器分别以f1,fs2两种采样速率对入射信号进行并行欠采样，每个阵元采集的快拍数为 Mf。

作为优化，所述步骤S1还包括：在均匀矩形平面天线阵列中，令最外层的P-1行和P-1列上的阵元为辅助阵元，只将中间的(M-P)×(N-P)个阵元作为接收信号的有效阵元。

作为优化，所述步骤S5还包括以坐标原点为参考点，阵列的输出信号矢量为:X(t)＝A(θ,Φ)S(t)+N(t)，其中,X(t)[x1(t),x2(t)… x_m(t)]",S(1)＝[s₁(t),s₂(t),…,s_p(t)]^t,N(t)＝[n₁(t),n₂(t),…n_m(t)]^T；A(θ, Φ)＝[a(θ₁,Φ1),a(θ₂,Φ2),…,a(θ_P,ΦP)]；

作为优化，所述步骤S6还包括：将所有阵元每隔间隔d的长度进行分割，判断分割点是否存在阵元，若是，则将该阵元对应的位置信息表示为1，否则，则将该阵元对应的位置信息表示为0，其中，d的取值范围为0＜d≤λ/2，λ表示入射到互质阵列的电磁信号波长。

作为优化，所述步骤S6还包括：将互质阵列的阵元对应的位置信息，按照从第一个阵元到最后一个阵元顺序，依次将位置信息放入[(2P-1)Q+1]×1 维矢量中，其中，P、Q分别表示两个互质的数，其取值范围为Q＞P≥2，得到阵列位置矢量。

本发明具备以下有益效果：

1、该频点部分交叠条件下的DOA估计策略，通过对阵列方向向量矩阵的重建以及辅助阵元的选择，可以减小了频点部分交叠部分，保证了信号的正常状态，提高频点的C/I值。

附图说明

图1为本发明接收阵列模型示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种频点部分交叠条件下的DOA估计策略，

包括以下步骤：

实施例一：

S1、基于耦合矩阵和噪声子空间，利用基于信号方向向量矩阵重构算法，估计二维DOA，步骤S1还包括：基于耦合矩阵，对信号的方向向量矩阵进行重构；基于噪声子空间，估计出DOA，步骤S1还包括：在均匀矩形平面天线阵列中，令最外层的P-1行和P-1列上的阵元为辅助阵元，只将中间的(M-P) ×(N-P)个阵元作为接收信号的有效阵元。

S2、根据松弛互素稀疏阵列、Tsui频谱校正器获取校正后的频率、幅值、相位的参数组；

S3、根据校正后的相位信息和幅值信息构造均值矢量，根据相位和均值矢量的关系得到阵元上信号的相位估计，通过做差得到两个相位差值；

实施例二：

S4、对L路信号样本做Mf点DFT，利用Tsui频谱校正器对DFT结果进行频率和相位校正，得到校正后的D组频率、相位、幅值的参数组，利用参数组构造出D个方向矢量，L路信号具体为：设置包含L个阵元的稀疏线性天线阵列，每个阵元位置布置两个ADC采样器；各阵元的两个ADC采样器分别以 f1,fs2两种采样速率对入射信号进行并行欠采样，每个阵元采集的快拍数为 Mf。

实施例三：

S5、建立接收阵列模型如附图1所示,理想全向一致阵元均匀排列于直角坐标系的三个坐标轴上,除坐标原点的阵元外,三个坐标轴上阵元数分别为m_x，m_y。m_z,总阵元数为M(M＝m_x+m_y+m_z+1),阵元间距为d，假设空间有p个信号 {s_k(t)}^p _k＝1从2-DDOA{(θ_K,Φ_K),K＝1,2,…,Φ照射此阵,其中,0代表第k个信号[0,2π]上的方位角,Φ_K代表第k个信号[0,π]上与z轴的夹角，对信号作如下假设:AS1)s_k(t)为零均值非高斯信号,信号之间统计独立且同中心频率, 阵元间距d等于信号半波长；s_k(t)的四阶累量不为零；阵列输出噪声为零均值的、时空统计独立的高斯色噪声或白高斯噪声，且与信号不相关。

其中，所述步骤S5还包括以坐标原点为参考点，阵列的输出信号矢量为:X(t)＝A(θ,Φ)S(t)+N(t)，其中,X(t)[x1(t),x2(t)… x_m(t)]",S(1)＝[s₁(t),s₂(t),…,s_p(t)]^t,N(t)＝[n₁(t),n₂(t),…n_m(t)]^T；A(θ, Φ)＝[a(θ₁,Φ1),a(θ₂,Φ2),…,a(θ_P,ΦP)]。

其中，所述步骤S6还包括：将所有阵元每隔间隔d的长度进行分割，判断分割点是否存在阵元，若是，则将该阵元对应的位置信息表示为1，否则，则将该阵元对应的位置信息表示为0，其中，d的取值范围为0＜d≤λ/2，λ表示入射到互质阵列的电磁信号波长。

其中，所述步骤S6还包括：将互质阵列的阵元对应的位置信息，按照从第一个阵元到最后一个阵元顺序，依次将位置信息放入[(2P-1)Q+1]×1维矢量中，其中，P、Q分别表示两个互质的数，其取值范围为Q＞P≥2，得到阵列位置矢量。

实施例四：

S9、计算阵列接收矢量。

通过对阵列方向向量矩阵的重建以及辅助阵元的选择，可以减小了频点部分交叠部分，保证了信号的正常状态，提高频点的C/I值。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种频点部分交叠条件下的DOA估计策略，其特征在于，包括以下步骤：

S5、建立接收阵列模型，理想全向一致阵元均匀排列于直角坐标系的三个坐标轴上,除坐标原点的阵元外,三个坐标轴上阵元数分别为m_x，m_y。m_z,总阵元数为M(M＝m_x+m_y+m_z+1),阵元间距为d，假设空间有p个信号{s_k(t)}^p _k＝1从2-DDOA{(θ_K,Φ_K),K＝1,2,…,Φ照射此阵,其中,0代表第k个信号[0,2π]上的方位角,Φ_K代表第k个信号[0,π]上与z轴的夹角，对信号作如下假设:AS1)s_k(t)为零均值非高斯信号,信号之间统计独立且同中心频率,阵元间距d等于信号半波长；s_k(t)的四阶累量不为零；阵列输出噪声为零均值的、时空统计独立的高斯色噪声或白高斯噪声，且与信号不相关。

S6、建立一互质阵列模型，用2P+Q-1个天线接收机形成互质阵列，其中P、Q分别表示两个互质的数，其取值范围为Q＞P≥2。

S9、计算阵列接收矢量。

2.根据权利要求1所述的一种频点部分交叠条件下的DOA估计策略，其特征在于：所述步骤S1还包括：基于耦合矩阵，对信号的方向向量矩阵进行重构；基于噪声子空间，估计出DOA。

3.根据权利要求1所述的一种频点部分交叠条件下的DOA估计策略，其特征在于：所述L路信号具体为：设置包含L个阵元的稀疏线性天线阵列，每个阵元位置布置两个ADC采样器；各阵元的两个ADC采样器分别以f1,fs2两种采样速率对入射信号进行并行欠采样，每个阵元采集的快拍数为Mf。

4.根据权利要求1所述的一种频点部分交叠条件下的DOA估计策略，其特征在于：所述步骤S1还包括：在均匀矩形平面天线阵列中，令最外层的P-1行和P-1列上的阵元为辅助阵元，只将中间的(M-P)×(N-P)个阵元作为接收信号的有效阵元。

5.根据权利要求1所述的一种频点部分交叠条件下的DOA估计策略，其特征在于：所述步骤S5还包括以坐标原点为参考点，阵列的输出信号矢量为:X(t)＝A(θ,Φ)S(t)+N(t)，其中,X(t)[x1(t),x2(t)…x_m(t)]",S(1)＝[s₁(t),s₂(t),…,s_p(t)]^t,N(t)＝[n₁(t),n₂(t),…n_m(t)]^T；A(θ,Φ)＝[a(θ₁,Φ1),a(θ₂,Φ2),…,a(θ_P,ΦP)]。

6.根据权利要求1所述的一种频点部分交叠条件下的DOA估计策略，其特征在于：所述步骤S6还包括：将所有阵元每隔间隔d的长度进行分割，判断分割点是否存在阵元，若是，则将该阵元对应的位置信息表示为1，否则，则将该阵元对应的位置信息表示为0，其中，d的取值范围为0＜d≤λ/2，λ表示入射到互质阵列的电磁信号波长。

7.根据权利要求1所述的一种频点部分交叠条件下的DOA估计策略，其特征在于：所述步骤S6还包括：将互质阵列的阵元对应的位置信息，按照从第一个阵元到最后一个阵元顺序，依次将位置信息放入[(2P-1)Q+1]×1维矢量中，其中，P、Q分别表示两个互质的数，其取值范围为Q＞P≥2，得到阵列位置矢量。