CN112285642A - 一种无重叠优化互质阵列的信号波达方向估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无重叠优化互质阵列的信号波达方向估计方法，包含以下顺序的步骤：构造无重叠优化互质阵列作为入射信号的接收阵列；预先搜集接收端天线阵列的阵元分布信息和大致估计信号的源数目；计算接收信号的自相关矩阵；将自相关矩阵重构成一个矢量，进行空间平滑处理；在空间平滑所得的协方差矩阵上使用MUSIC算法，估计信号的DOA。本发明提出新的互质阵列分布结构，可应用于估计入射信号的波达方向。本发明构造新型的无重叠优化互质阵列，提出两种新的互质阵列结构，并利用接收信号的自相关矩阵构造更长的虚拟均匀线性阵列。与传统互质阵列方法相比，本发明在提高自由度、增加识别信源数目的同时，提高了波达方向估计的准确度。

Description

一种无重叠优化互质阵列的信号波达方向估计方法
技术领域
本发明涉及信号处理领域，特别涉及一种无重叠优化互质阵列的信号波达方向估计方法。
背景技术
阵列信号处理技术被广泛应用于国防与人们生活的方方面面。波达方向(DOA)估计是阵列信号处理领域中的一个重要的问题，在雷达、声纳、无线通信、智能天线和无源定位等方面中，有较多的应用。传统的DOA估计方法只能求解目标数少于阵元数的情况，因此如何用少量的阵元检测更多的目标成为一个新的挑战。近几年，一种新型几何结构的线列阵——互质阵的提出，可达到估计的DOA数目远超过阵元数目。由于互质阵阵元的位置分布特殊，在经过数学运算处理后，可以形成孔径更大的虚拟阵，估计出的目标数目已经远大于同等数目物理阵元的均匀线列阵。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种无重叠优化互质阵列的信号波达方向估计方法，该方法提出新的阵列分布结构，进一步增强阵列性能，以更少数目的阵元分辨更多信号源。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种无重叠优化互质阵列的信号波达方向估计方法，包含以下顺序的步骤：
构造无重叠优化互质阵列作为入射信号的接收阵列；
预先搜集接收端天线阵列的阵元分布信息和大致估计信号的源数目；
计算接收信号的自相关矩阵；
将自相关矩阵重构成一个矢量，进行空间平滑处理；
在空间平滑所得的协方差矩阵上使用MUSIC算法，估计信号的DOA。
所述无重叠优化互质阵列，包含两种分布结构类型，分别为基础性结构与进阶型结构，每种阵列结构由两个子阵列构成。
所述基础型结构，其分布位置的X轴坐标如下所示：
第一个子阵列坐标集合为{nMd|1≤n≤N-1}；
第二个子阵坐标集合为{mNd+LNd|0≤m≤2M-1}；
其中M和N互为质数且M＜N,d为单位空间距离且一般取值为入射波长的一半，L为非负整数且取值范围为
Figure BDA0002693507620000021
所述进阶型结构，其分布位置的X轴坐标如下所示：
第一个子阵列坐标集合为{nMd|1≤n≤N-1}；
第二个子阵列坐标集合为
Figure BDA0002693507620000022
其中M、N、d、L的取值与权利要求3中的取值相同。
所述将自相关矩阵重构成一个矢量，是指根据无重叠优化互质阵列的空间分布信息，将自相关矩阵中所有元素映射到虚拟差分阵列各个阵元的接收信号，对差分阵列的阵元差值进行排序，对取同一个差值的重复项合并为一项，取连续长度最大的虚拟差值序列对应的自相关矩阵元素作为虚拟差分阵列的接收信号。
一种无重叠优化互质阵列的信号波达方向估计方法，具体包含以下步骤：
步骤S101、构造无重叠优化互质阵列作为入射信号的接收阵列；
步骤S102、搜集接收端天线阵列的阵元分布信息和大致估计信号的源数目k；
步骤S103、对接收阵列中的天线接收到的信号进行抽样，获得接收信号；
步骤S104、计算步骤S103中接收信号的自相关矩阵；
步骤S105、将自相关矩阵并重构成矢量，即根据无重叠优化互质阵列的空间分布信息，将自相关矩阵中所有元素映射到虚拟差分阵列各个阵元的接收信号，对差分阵列的阵元差值进行排序，对取同一个差值的重复项合并为一项，取连续长度最大的虚拟差值序列对应的自相关矩阵元素作为虚拟差分阵列的接收信号z1；
步骤S106、对虚拟差分阵列的接收信号z1进行空间平滑，得到协方差矩阵R1；
步骤S107、对协方差矩阵R1使用MUSIC算法进行空间谱计算，估算信号的DOA记为θk。
步骤S103中，所述接收信号的计算公式为：
接收信号x＝As+n；
其中，发射信号记为s，对应的方向矩阵记为A，同时用n表示本次信号传输的噪声。
步骤S104中，所述自相关矩阵的计算公式为：
自相关矩阵Rxx＝E(xxH)。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明中提出新型的无重叠优化互质阵列，包含两种新型阵列结构。本发明构造无重叠优化互质阵列，并利用接收信号的自相关矩阵构造更长的虚拟均匀线性阵列，估计出的目标数目已经远大于同等数目物理阵元的均匀线列阵。相较于传统的采用互质阵列进行DOA估计的方法，本发明的DOA估计方法提高自由度、增加识别信源数目的同时，提高了波达方向估计的准确度。
附图说明
图1是本发明所述一种无重叠优化互质阵列的信号波达方向估计方法的流程图。
图2为本发明所述一种无重叠优化互质阵列的信号波达方向估计方法的无重叠优化互质阵列的基础型结构图。
图3为本发明所述一种无重叠优化互质阵列的信号波达方向估计方法的无重叠优化互质阵列的进阶型结构图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
一种无重叠优化互质阵列的信号波达方向估计方法，包含以下顺序的步骤：
系统接收端构造无重叠优化互质阵列作为入射信号的接收阵列；
系统服务器预先搜集接收端天线阵列的阵元分布信息和大致估计信号的源数目；
系统服务器计算接收信号的自相关矩阵；
系统服务器将自相关矩阵重构成一个矢量，进行空间平滑处理；
系统服务器在空间平滑所得的协方差矩阵上使用MUSIC算法，估计信号的DOA。
具体地，如图1、2、3所示，一种无重叠优化互质阵列的信号波达方向估计方法，包含以下步骤：
步骤S101、构造无重叠优化互质阵列作为入射信号的接收阵列；
步骤S102、搜集接收端天线阵列的阵元分布信息和大致估计信号的源数目k；
步骤S103、对接收阵列中的天线接收到的信号进行抽样，获得接收信号；其中，发射信号记为s，对应的方向矩阵记为A，同时用n表示本次信号传输的噪声，接收信号为x＝As+n；
步骤S104、计算步骤S103中接收信号的自相关矩阵，即Rxx＝E(xxH)；
步骤S105、将自相关矩阵Rxx并重构成矢量，即根据无重叠优化互质阵列的空间分布信息，将自相关矩阵中所有元素映射到虚拟差分阵列各个阵元的接收信号，对差分阵列的阵元差值进行排序，对取同一个差值的重复项合并为一项(比如取均值，但不局限与此)，取连续长度最大的虚拟差值序列对应的自相关矩阵元素作为虚拟差分阵列的接收信号z1；
步骤S106、对虚拟差分阵列的接收信号z1进行空间平滑，得到协方差矩阵R1；
步骤S107、对协方差矩阵R1使用MUSIC算法进行空间谱计算，估算信号的DOA记为θk。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无重叠优化互质阵列的信号波达方向估计方法，其特征在于，包含以下顺序的步骤：
构造无重叠优化互质阵列作为入射信号的接收阵列；
预先搜集接收端天线阵列的阵元分布信息和大致估计信号的源数目；
计算接收信号的自相关矩阵；
将自相关矩阵重构成一个矢量，进行空间平滑处理；
在空间平滑所得的协方差矩阵上使用MUSIC算法，估计信号的DOA。
2.根据权利要求1所述无重叠优化互质阵列的信号波达方向估计方法，其特征在于，所述无重叠优化互质阵列，包含两种分布结构类型，分别为基础性结构与进阶型结构，每种阵列结构由两个子阵列构成。
3.根据权利要求2所述无重叠优化互质阵列的信号波达方向估计方法，所述基础型结构，其分布位置的X轴坐标如下所示：
第一个子阵列坐标集合为{nMd|1≤n≤N-1}；
第二个子阵坐标集合为{mNd+LNd|0≤m≤2M-1}；
其中M和N互为质数且M＜N,d为单位空间距离且一般取值为入射波长的一半，L为非负整数且取值范围为
Figure FDA0002693507610000011
4.根据权利要求2所述无重叠优化互质阵列的信号波达方向估计方法，所述进阶型结构，其分布位置的X轴坐标如下所示：
第一个子阵列坐标集合为{nMd|1≤n≤N-1}；
第二个子阵列坐标集合为
Figure FDA0002693507610000012
其中M、N、d、L的取值与权利要求3中的取值相同。
5.根据权利要求1所述无重叠优化互质阵列的信号波达方向估计方法，所述将自相关矩阵重构成一个矢量，是指根据无重叠优化互质阵列的空间分布信息，将自相关矩阵中所有元素映射到虚拟差分阵列各个阵元的接收信号，对差分阵列的阵元差值进行排序，对取同一个差值的重复项合并为一项，取连续长度最大的虚拟差值序列对应的自相关矩阵元素作为虚拟差分阵列的接收信号。
6.根据权利要求1所述无重叠优化互质阵列的信号波达方向估计方法，具体包含以下步骤：
步骤S101、构造无重叠优化互质阵列作为入射信号的接收阵列；
步骤S102、搜集接收端天线阵列的阵元分布信息和大致估计信号的源数目k；
步骤S103、对接收阵列中的天线接收到的信号进行抽样，获得接收信号；
步骤S104、计算步骤S103中接收信号的自相关矩阵；
步骤S105、将自相关矩阵并重构成矢量，即根据无重叠优化互质阵列的空间分布信息，将自相关矩阵中所有元素映射到虚拟差分阵列各个阵元的接收信号，对差分阵列的阵元差值进行排序，对取同一个差值的重复项合并为一项，取连续长度最大的虚拟差值序列对应的自相关矩阵元素作为虚拟差分阵列的接收信号z1；
步骤S106、对虚拟差分阵列的接收信号z1进行空间平滑，得到协方差矩阵R1；
步骤S107、对协方差矩阵R1使用MUSIC算法进行空间谱计算，估算信号的DOA记为θk。
7.根据权利要求6所述无重叠优化互质阵列的信号波达方向估计方法，步骤S103中，所述接收信号的计算公式为：
接收信号x＝As+n；
其中，发射信号记为s，对应的方向矩阵记为A，同时用n表示本次信号传输的噪声。
8.根据权利要求6所述无重叠优化互质阵列的信号波达方向估计方法，步骤S104中，所述自相关矩阵的计算公式为：
自相关矩阵Rxx＝E(xxH)。
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