发明内容
本发明实施例提供了一种传感器阵列的信号处理方法、装置、设 备及存储介质,解决了阵元数少于信号源数场景下如何设计阵列以实 现对宽带信号二维到达角高性能估计的问题。
本发明实施例提供了一种传感器阵列的信号处理方法,包括:
阵列分布分配,其包括在二维平面上设置阵元;
阵列规模设置,其包括设置阵列的最大规模;
虚拟阵列生成,其包括在二维平面上形成阵元位置;
差分合成阵列生成,其包括形成差分合成阵列的位置;
设置目标函数,其包括定义优化目标;
阵列优化,其包括采用遗传算法进行阵元位置优化;
其中,所述阵列是将一组传感器按一定方式布置在空间不同位置 上形成传感器阵列。
进一步的,所述阵列分布分配的方法,具体包括:对于阵元数为 3M+1的阵列,在二维平面的原点上设置阵元,在二维平面的X轴、 二维平面的Y轴以及二维平面的对角线上各放置M个阵元,二维平 面的Y轴上的阵元为(0,jmdc)((0,jm)∈M1,|M1|=M),二维平面的X 轴上的阵元可表示为(imdc,0)((im,0)∈M2,|M2|=M),二维平面的对 角线上的阵元可表示为(kmdc,kmdc)((km,km)∈M3,|M3|=M),其中dc为 对应频率fc的半波长,M为正整数,真实阵列位置的集合M=为 M==M1UM2UM3U(0,0)。
进一步的,所述阵列规模设置的方法,具体包括:设置阵列的最 大规模为imaxdc,即二维平面的Y轴上的阵元jm≤imax,二维平面的X 轴上的阵元im≤imax,二维平面的对角线上的阵元km≤imax。
进一步的,所述虚拟阵列生成的方法,具体包括:根据阵元最大 规模为i
maxd
c,生成M
1、M
2以及M
3,并由信号频谱进行虚拟有效阵 元生成,形成Y轴上的阵元位置(0,j
m d
c)((0,j
m )∈
M 1),X轴上的阵元 位置(i
m d
c,0((i
m ,0)∈
M 2)以及对角线上阵元位置(k
m d
c,k
m d
c) ((k
m ,k
m )∈
M 3),阵列位置集合为
其中,
M 1={(0,fqjm/fc)|1≤q≤Q,(0,jm)∈M1}
M 2={(fqim/fc,0)|1≤q≤Q,(im,0)∈M2}
M 3={(fqim/fc,fqim/fc)|1≤q≤Q,(km,km)∈M3}。
进一步的,所述差分合成阵列生成的方法,具体包括:通过由信 号频谱虚拟出的阵列
M=,形成差分合成阵列
的位置
其 中
进一步的,所述设置目标函数的方法,具体包括:定义作为目标 函数的优化目标ε为:
其中D表示感兴趣角度的集合。
是差分合 成阵列
在方向
上的方向图,
是阵列
在方向
上 的单位导向矢量,可表示为
进一步的,所述阵列优化的方法,包括:根据目标函数以及阵 列的最大规模为imaxdc,采用遗传算法进行阵元位置优化,具体如 下所示:
本发明实施例还提供一种传感器阵列的信号处理装置,包括:
分配模块,用于阵列分布分配,其包括在二维平面上设置阵元;
设置模块,用于阵列规模设置,其包括设置阵列的最大规模;
生成模块,用于虚拟阵列生成,其包括在二维平面上形成阵元位 置;
构造模块,用于差分合成阵列生成,其包括形成差分合成阵列的 位置;
设定模块,用于设置目标函数,其包括定义优化目标;
优化模块,用于阵列优化,其包括采用遗传算法进行阵元位置优 化
本发明实施例还提供一种传感器阵列的信号处理设备,包括存储 器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所 述处理器执行所述程序时实现所述传感器阵列的信号处理方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质,存储有计算机可 执行指令,所述计算机可执行指令用于执行所述传感器阵列的信号处 理方法。
本发明实施例,其方法包括:阵列分布分配;阵列规模设置;虚 拟阵列生成;差分合成阵列生成;设置目标函数;阵列优化;能够实 现互耦效应更低,信号源分辨能力更强的二维阵列。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分 地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的 目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出 的结构来实现和获得。
具体实施方式
下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令 的计算机系统中执行。并且,虽然在流程图中示出了逻辑顺序,但是 在某些情况下,可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本发明实施例的阵列是将一组传感器按一定方式布置在空间不 同位置上形成传感器阵列。用传感器阵列来接收空间信号,相当于对 空间分布的场信号采样,得到信号源的空间离散观测数据。
如图1所示,本发明实施例提出一种传感器阵列的信号处理方法, 其具体包括:
步骤101,阵列分布分配,其包括在二维平面上设置阵元。
其中,由阵元接收信号频谱虚拟出阵元主要依靠不同频点的倍数 关系形成,虚拟阵元的位置也是x坐标与y坐标同比例变换得到,因 此,为便于分析,本发明实施例的传感器阵列的信号处理方法只考虑 在阵列平面的X轴、Y轴以及对角线上设置阵元;在一个实施例中, 所述阵列分布分配的方法,包括:对于阵元数为3M+1的阵列,在二 维平面的原点上设置阵元,在二维平面的X轴、二维平面的Y轴以 及二维平面的对角线上各放置M个阵元,二维平面的Y轴上的阵元 位置设置为(0,jmdc)((0,jm)∈M1,|M1|=M),二维平面的X轴上的阵元位置设置为(imdc,0)((im,0)∈M2,|M2|=M),二维平面的对角线上 的阵元位置设置为(kmdc,kmdc)((km,km)∈M3,|M3|=M),其中dc为对应 载频fc的半波长,M为正整数,M1、M2、以及M3分别为真实阵列 在Y轴、X轴以及对角线上阵元位置集合,真实阵列位置的集合M=为 M==M1UM2UM3U(0,0)。
步骤102,阵列规模设置,其包括设置阵列的最大规模。
其中,在一个实施例中,所述阵列规模设置的方法,包括:设置 阵列的最大规模为imaxdc,即二维平面的Y轴上的阵元jm≤imax,二维 平面的X轴上的阵元im≤imax,二维平面的对角线上的阵元km≤imax。
步骤103,虚拟阵列生成,其包括在二维平面上形成阵元位置。
其中,在一个实施例中,所述虚拟阵列生成的方法,包括:根据 阵元最大规模为i
maxd
c、阵列在Y轴上的位置集合M
1、X轴上的位置 集合M
2以及对角线上的位置集合M
3,由信号频谱进行虚拟有效阵元 生成,形成Y轴上的阵元位置(0,j
m d
c)((0,j
m )∈
M 1),X轴上的阵元位 置(i
m d
c,0)((i
m ,0)∈
M 2)以及对角线上阵元位置(k
m d
c,k
m d
c)((k
m ,k
m )∈
M 3), 其中
M 1、
M 2以及
M 3分别为虚拟阵列在Y轴、X轴以及对角线上阵元 位置集合,阵列位置集合为
M 1、
M 2以及
M 3可 表示为
M 1={(0,fqjm/fc)|1≤q≤Q,(0,jm)∈M1}
M 2={(fqim/fc,0)|1≤q≤Q,(im,0)∈M2}
M 3={(fqkm/fc,fqkm/fc)|1≤q≤Q,(km,km)∈M3}。
式中fq(1≤q≤Q)表示阵列接收信号在频谱上的离散频点,f表示用 于生成虚拟阵列的参考频率。
步骤104,差分合成阵列生成,其包括形成差分合成阵列的位置。
其中,在一个实施例中,所述差分合成阵列生成二的方法,包括: 通过由信号频谱虚拟出的阵列
M=,形成差分合成阵列
的位置
其中
步骤105,设置目标函数,其包括定义优化目标。
其中,在一个实施例中,所述设置目标函数的方法。差分合成阵 列
在方向
上的方向图
可表示为:
由差分合成阵列的方向图
可以看出,当
时,
越小,差分合成阵列对角度的分辨能力越强,性能越好。通 过调整原阵列的位置集合M=,可实现差分合成阵列方向图的改善, 当所有的
都很小时,差分合成阵 列
有较优的方向图,可实现较好的到达角分辨能力。因此,在优 化原阵列位置时,可定义作为目标函数的优化目标ε为:
步骤106,阵列优化,其包括采用遗传算法进行阵元位置优化。 其中,在一个实施例中,所述阵列优化的方法,包括:根据目 标函数以及阵列的最大规模为imaxdc,采用遗传算法进行阵元位置 优化,具体如下所示:
以通过仿真说明本发明实施例的传感器阵列的信号处理方法的 性能,即设置载频为26.5GHz,信号带宽为1GHz,阵列最大规模为 80倍半波长。仿真将本发明实施例形成的阵列与均匀方阵、二维嵌 套阵列进行比较,本发明实施例形成的阵列阵元数为34,均匀方阵 与二维嵌套阵列阵元数为36。
(a)、(b)与(c)分别给出了本发明实施例设置的阵列、均匀方阵以 及二维嵌套阵列的差分合成阵列在(50°,40°)方向上的方向图。可以 看出,由于均匀方阵形成的差分合成阵列规模最小,性能最差;本发 明实施例形成的阵列结合了信号的宽带特性,极大地拓展了阵列规模, 同时还从方向图角度考虑进行了阵列优化,相比于均匀方阵与二维嵌 套阵列,显著改善了差分合成阵列的方向图。
进一步通过蒙特卡洛仿真将三种阵列对信号源的估计性能进行 了比较,迭代次数为100次。每次仿真中,设置信号源在离散的俯仰 角-方位角网格上随机生成,俯仰角范围为0~60°,方位角范围0~60°, 离散间隔均为3°。设置信噪比为5dB。估计信号源时,先由阵列接收 信号的二阶统计量形成差分合成阵列,接着,采用稀疏重构中的正交 匹配追踪算法对合成阵列的数据进行信号源估计。仿真采用成功估计 概率为指标,由于信号源是在离散网格上产生,当估计量与设置量一 致时,记为一次成功估计。可以看出,均匀方阵与二维嵌套阵列虽然 通过形成差分合成阵列提升了阵列的自由度,理论上可实现更多信号 源的估计,然而二者忽视了对信号源分辨能力的提升,使得只有在信 号源的距离足够大时,才能实现多信号源的估计。随机抽取设置信号 源,会形成大量临近信号源,均匀方阵与二维嵌套阵列难以保证估计 性能。再者,结合(b)与(c)可以看出,由均匀方阵与二维嵌套阵列形 成的合成阵列的方向图主瓣较宽,采用稀疏重构方法估计信号源时, 难以在噪声环境中保证估计值与设置值一致。本发明实施例形成的阵 列结合了信号的宽带特性,极大地拓展了阵列规模,还以方向图作为 目标函数进行阵列位置优化,极大提升了对信号源的分辨能力。
本发明实施例还提供一种传感器阵列的信号处理装置,包括:
分配模块,用于阵列分布分配,其包括在二维平面上设置阵元。 对于阵元数为3M+1的阵列,在二维平面的原点上设置阵元,在二维 平面的X轴、二维平面的Y轴以及二维平面的对角线上各放置M个 阵元,二维平面的Y轴上的阵元为(0,j
md
c)((0,j
m)∈M
1,|M
1|=M),二维平面的X轴上的阵元表示为(i
md
c,0)((i
m,0)∈M
2,|M
2|=M),二 维平面的对角线上的阵元可表示为(k
md
c,k
md
c)((k
m,k
m)∈M
3,|M
3|=M), 其中d
c为对应频率f
c的半波长,M为正整数,真实阵列位置的集合M= 为
设置模块,用于阵列规模设置,其包括设置阵列的最大规模。设 置阵列的最大规模为imaxdc,即二维平面的Y轴上的阵元jm≤imax,二 维平面的X轴上的阵元im≤imax,二维平面的对角线上的阵元km≤imax;
生成模块,用于虚拟阵列生成,其包括在二维平面上形成阵元位 置;即根据阵元最大规模为i
maxd
c,生成M
1、M
2以及M
3,并由信号 频谱进行虚拟有效阵元生成,形成Y轴上的阵元位置(0,j
m d
c) ((0,j
m )∈
M 1),X轴上的阵元位置(i
m d
c,0)((i
m ,0)∈
M 2)以及对角线上 阵元位置(k
m d
c,_k
m((k
m ,k
m )∈
M 3),阵列位置集合为
其中,
构造模块,用于差分合成阵列生成,其包括形成差分合成阵列的 位置;即通过由信号频谱虚拟出的阵列
M=,形成差分合成阵列
的 位置
其中
设定模块,用于设置目标函数,其包括定义优化目标;
设置优化目标函数的优化目标ε为:
其中D表示感兴趣角度的集合。
是差分合 成阵列
在方向
上的方向图,
是阵列
在方向
上 的单位导向矢量,可表示为
优化模块,用于阵列优化,其包括采用遗传算法进行阵元位置 优化;即根据目标函数以及阵列的最大规模为imaxdc,采用遗传算 法进行阵元位置优化,具体如下所示:
本发明实施例的装置的技术效果如下所示:
利用信号宽带特性,将信号的空域采样与时域采样拼接,实现由 信号频谱虚拟出更多的有效阵元。由频谱虚拟出的阵元可使得阵列无 需设置间距为半波长的阵元对也可保证对伪峰的抑制能力,有效地降 低了阵元间的互耦效应;同时,由频谱虚拟出的阵元可极大提升由接 收信号二阶统计量形成的差分合成阵列的规模,增加了阵列的自由度 以及对信号的分辨能力,可实现由少量的阵元估计更多的信号源。为 一步提升阵列性能,本发明实施例的装置还从差分合成阵列的方向图 角度考虑,提出一种二维阵列的优化方法,通过优化阵列位置改善差 分合成阵列的方向图,继而实现阵列性能的提升。
本发明实施例还提供一种传感器阵列的信号处理设备,包括存储 器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所 述处理器执行所述程序时实现所述传感器阵列的信号处理方法。
本发明实施例的传感器阵列的信号处理设备解决了阵元数少于 信号源数场景下如何设计阵列以实现对宽带信号二维到达角高性能 估计的问题,具体具有如下优点:
1.将时域采样与空域采样进行拼接,由信号频谱虚拟出有效阵元, 使得无需设置阵元间距为半波长也能保证阵列对伪峰的抑制能力,有 效降低阵元间的互耦效应;同时,由于从信号带宽虚拟出有效阵元, 在形成差分合成阵列时,极大提升了合成阵列的规模,继而提升了合 成阵列的自由度与对到达角的分辨能力。
2.通过优化阵列位置,实现了合成阵列方向图性能的提升,改善 了对信号二维到达角估计的性能。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质,存储有计算机可 执行指令,所述计算机可执行指令用于执行所述传感器阵列的信号处 理方法。
在本实施例中,上述存储介质可以包括但不限于:U盘、只读存 储器(ROM,ReadOnlyMemory)、随机存取存储器(RAM, RandomAccessMemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程 序代码的介质。
本领域普通技术人员可以理解,上文中所公开方法中的全部或 某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、 硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中,在以上描述中提及的功能 模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分;例如,一个物 理组件可以具有多个功能,或者一个功能或步骤可以由若干物理组件 合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器,如数字信号 处理器或微处理器执行的软件,或者被实施为硬件,或者被实施为集 成电路,如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上, 计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信 介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的,术语计算机存 储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序 模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可 移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、 闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存 储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期 望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外,本领域普 通技术人员公知的是,通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、 程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号。