WO2015109869A1

WO2015109869A1 - 高分辨率 doa 估计方法及系统

Info

Publication number: WO2015109869A1
Application number: PCT/CN2014/088099
Authority: WO
Inventors: 谢宁; 郭伟斌; 王晖; 林晓辉; 曾捷
Original assignee: Shenzhen University
Current assignee: Shenzhen University
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-10-03
Publication date: 2015-07-30
Anticipated expiration: 2016-07-24
Also published as: CN103760519B; CN103760519A

Abstract

一种高分辨率DOA估计方法及系统，适用于MIMO雷达技术领域。该方法包括下述步骤：各接收天线接收由目标源反射的发射信号（A）；利用每个发射信号对每根接收天线的接收信号进行扫描（B）；将所扫描到的信号分别与发射信号相乘，得到每根接收天线的接收信号中各个峰值点对应的相位（C）；根据得到的相位以及发射信号构建虚拟接收信号作为得到的虚拟扩展信号（D）；利用由所述虚拟扩展信号和原始的接收信号组成新的接收信号，计算所述新的接收信号的协方差和Capon波束形成系数，进而完成DOA的估计（E）。本方法在不增加天线的情况下，使估计精度和可以估计的目标源个数得到提高。

Description

高分辨率 DOA 估计方法及系统

Technical Field

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种适用于 MIMO 雷达系统的高分辨率 DOA 估计方法及系统。

Background Art

MIMO 雷达利用多天线技术同时发射独立的信号波束来探测目标，并接收相应的目标发射信号。发射信号中承载着有关发射目标的信息，如角度、距离、多普勒平移等等，这些信息都可以利用匹配滤波器的方法在接收端提取出来。 MIMO 雷达可以灵活采用新一代雷达系统的高带宽、双程数字波束合成和波形分集技术，同时要求各天线发射相互正交的信号，其天线阵列的各个阵元在空间分置一定的间隔，对空间目标形成空间分集，可以提高对空中目标的检测能力。 MIMO 雷达中的发射信号的特点以及空间分集的设计提高了 DOA 估计方法的分辨率。

已有的应用于 MIMO 雷达中的 DOA 估计算法主要有：多信号分类 (MUSIC) 方法、 Capon 方法、幅度和相位估计 (APES) 方法、最大似然比测试 (GLRT) 方法。这些算法本身可以都可以应用到 MIMO 雷达中的 DOA 估计，在一定程度上 ( 如发射天线和接收天线根数较多，采样点个数大的情形 ) 可以提供比较高的 DOA 分辨率，但是这些方法的缺点主要有： (1) 可以估计的目标源个数都受到一定的限制，尤其是在发射天线和接收天线根数较少的情况下，其可以估计的目标源个数依赖与发射阵列和接收阵列的可以共享的天线根数，已有方法的 DOA 估计算法可以估计的目标源个数最大值为

，其中 M_t 表示的发射天线根数， N_r 表示接收天线根数； (2) 算法在发射天线和接收天线根数较少时，估计性能不稳定，精度不够高，分辨率能力不强。

Technical Problem

本发明所要解决的第一个技术问题在于提供一种高分辨率 DOA 估计方法，旨在不增加现有接收天线和发射天线的情况下提高天线的自由度，从而提高 DOA 估计的分辨率以及可以估计的目标源个数。

Technical Solution

本发明是这样实现的，一种高分辨率 DOA 估计方法，所述方法包括下述步骤：

步骤 A ，各接收天线接收由目标源反射的发射信号；

步骤 B ，利用每个发射信号对每根接收天线的接收信号进行扫描；

步骤 C ，将步骤 B 所扫描到的信号分别与发射信号相乘，得到每根接收天线的接收信号中各个峰值点对应的相位；

步骤 D ，根据步骤 C 得到的相位以及发射信号构建虚拟扩展信号；

步骤 E ，利用由所述虚拟扩展信号和原始的接收信号组成新的接收信号，计算所述新的接收信号的协方差和 Capon 波束形成系数，进而完成 DOA 的估计。

本发明所要解决的第二个技术问题在于提供一种高分辨率 DOA 估计系统，包括：

扫描模块，用于利用每个发射信号对每根接收天线的接收信号进行扫描；所述发射信号由目标源反射；

相位计算模块，用于将扫描到的信号分别与发射信号相乘，得到每根接收天线的接收信号中各个峰值点对应的相位；

虚拟扩展信号构建模块，用于根据所述相位计算模块得到的相位以及发射信号构建虚拟扩展信号；

估计模块，用于将所述虚拟扩展信号和接收信号组成新的接收信号，计算所述新的接收信号的协方差和 Capon 波束形成系数，进而完成 DOA 的估计。

Advantageous Effects

本发明与现有技术相比，充分利用了 MIMO 雷达中发射波形的相互正交的特点以及空间分集的设计，对接收信号进行匹配滤波恢复信号，然后进行信号的虚拟扩展。从而在不增加天线的情况下，提高了天线的自由度 ( 主要是相当于增加了实际的接收天线根数 ) ，因此提高了估计精度和可以估计的目标源个数。可以估计的目标源个数大于原始方法的极限值

（其中， M_t 为发射天线根数、 N_r 为接收天线根数）。

Description of Drawings

图 1 是本发明提供的高分辨率 DOA 估计方法的实现流程图；

图 2 是本发明提供的在现有的 capon 估计方法和本发明天提供的估计方法之间选择的实现流程图；

图 3A 、 3B 、 3C 是在采样点个数 L=2^7 、信噪比 SNR=0dB 的情况下，分别采用原始 capon 方法、实际增加天线 capon 方法、本发明提供的估计方法得到的 DOA 估计图；

图 4A 、 4B 、 4C 是在采样点个数 L=2^7 、信噪比 SNR=20dB 的情况下，分别采用原始 capon 方法、实际增加天线 capon 方法、本发明提供的估计方法得到的 DOA 估计图；

图 5A 、 5B 、 5C 是在采样点个数 L=2^10 、信噪比 SNR=0dB 的情况下，分别采用原始 capon 方法、实际增加天线 capon 方法、本发明提供的估计方法得到的 DOA 估计图；

图 6A 、 6B 、 6C 是在采样点个数 L=2^10 、信噪比 SNR=20dB 的情况下，分别采用原始 capon 方法、实际增加天线 capon 方法、本发明提供的估计方法得到的 DOA 估计图；

图 7A 、 7B 分别是在采样点个数 L=2^7 和采样点个数 L=2^10 的情况下，采用原始 capon 方法、实际增加天线 capon 方法、本发明提供的估计方法的估计角度均方根误差 RMSE 随 SNR 的变化比较示意图；

图 8A 、 8B 分别是在 SNR=0dB 和 SNR=20dB 的情况下，采用原始 capon 方法、实际增加天线 capon 方法、本发明提供的估计方法时 RMSE 随采样点个数的变化比较示意图；

图 9A 、 9B 分别是在采样点个数 L=2^7 和 SNR=0dB 的情况下，采用原始 capon 方法、实际增加天线 capon 方法、本发明提供的估计方法时 RMSE 随目标源个数的变化比较示意图；

图 10A 、 10B 分别是在采样点个数 L=2^10 和 SNR=0dB 的情况下，采用原始 capon 方法、实际增加天线 capon 方法、本发明提供的估计方法时 RMSE 随目标源个数的变化比较示意图。

Mode for Invention

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在 MIMO 雷达中，发射信号可以表示为：

(1)

其中 i={1,...,M_t} 表示发射天线数，w_i 表示哈达玛矩阵的第i 列，s_i 表示由等概率分布 -1 和 1 组成的实数随机矩阵的第i 列， t 表示时间。 MIMO 雷达中发射波形之间相互正交且独立，因此存在：

(2)

其中 T 表示发射信号的周期，

表示时间延迟，

是一个很小的数值，当采样点个数 L=512 时，

接近 0.1 ，且随着采样点个数越大

越小，本发明就充分利用这一点对信号进行匹配恢复。为了说明具体步骤，下文以发射天线根数M_t=1 ，接收天线根数N_r=2 ，目标源个数 K=2为实例进行说明。

图 1 示出了本发明提供的高分辨率 DOA 估计方法的实现流程，详述如下。

步骤 A ，各接收天线接收由目标源反射的发射信号。

接收天线接收信号，且每根接收天线接收的信号为一个采样点为L 的行向量信号。

步骤 B ，利用发射信号对每根接收天线的接收信号进行扫描。

本发明利用发射波形之间的相关性的特点，用发射信号对每根接收天线的接收信号进行扫描；

在第 m 个脉冲，经过目标反射后到达接收天线的接收信号可以表示为：

(3)

(4)

其中c，f 和

分别表示光速，载波频率和第 k 个目标源的反射系数。d_k(0) 表示第k 个目标源初始时刻到原点的距离，d_mk ^t/r(t) 表示第m 个发射 / 接收天线到第k 个目标源之间的距离。n₁(t) 和 n₂(t) 表示 2 根接收天线的接收的噪声信号，且均值和方差相等。假设发射波形为窄带信号，目标相对移动缓慢，则接收信号中接收到的由于目标导致的延迟都相同为2d_k(0)/c ，因此接收信号可以简化为：

(5)

(6)

为了简化公式 (5) 和 (6) ，做如下假设：

(7)

(8)

所有目标源的反射系数相等，即

。则公式 (5) 和 (6) 可以简化为：

(9)

(10)

利用信号的相关性的特点，因为

是一个很小的值，当采样点个数很大时这个值小于 0.1 。为了说明的方便，定义一个

表示发射波形和噪声之间的互相关系数，在 SNR=0dB 时，这个值接近 0.1 。充分利用上述特点，可以对

进行恢复：

(11)

(12)

(13)

(14)

其中估计误差为 :

。

进一步地，如图 2 所示，还包括在现有的 capon 估计方法与本发明提供的估计方法直接选择的步骤。首先统计步骤 B 中每根接收天线扫描到的极大值点的个数 N ，当各个接收天线的极大值点的个数 N 相等且大于预设的极大值点个数阈值时，执行步骤 C ，而当各个接收天线的极大值点的个数 N 相等且不大于预设的极大值点个数阈值时，则采用原始的 Capon 估计方法进行 DOA 的估计。本发明中，上述预设的极大值点个数阈值为 2 。

步骤 C ，将步骤 B 所扫描到的信号分别与发射信号相乘，得到每根接收天线的接收信号中各个峰值点对应的相位。

步骤 D ，根据步骤 C 得到的相位以及发射信号构建虚拟接收信号，作为得到的虚拟扩展信号。

利用步骤 B 中恢复出来的

, 构建第一个虚拟扩展信号为：

(15)

利用同样的方法可以得到第二个虚拟扩展信号为：

(16)

步骤 E ，利用由虚拟扩展信号和原始的接收信号组成新的接收信号，计算新的接收信号的协方差和波束形成系数，利用得到的波束形成系数计算对应的估计谱，对得到的估计谱进行极值点的搜索，选取其中的极大值点作为估计结果，完成 DOA 的估计。

因此，新的接收信号 r₁ 表示为：

(17)

其中， N_r 表示接收天线的根数， T 表示矩阵的转置， y1m 、 y2m ， yN_rm 为在第 m 个脉冲时，由目标源反射后到达第 1 根、第 2 根、第 N_r 根接收天线的接收信号，

为构建的虚拟扩展信号。

利用得到的新的接收信号，计算其协方差矩阵为：R=E{r₁r₁ ^H} ，则其波束形成系数为：

(18)

由波束形成系数，可以得到目标反射系数的估计谱为：

(19)

其中R_x=X^TX^* 。然后按照原始的 Capon 估计方法完成 DOA 的估计，不再赘述。

图 3 至图 10 从各个方面对采用原始 capon 方法、实际增加天线 capon 方法、本发明提供的估计方法实现的 DOA 估计效果进行了对比，可以看出本发明提供的估计方法在信噪比 SNR 比较低和采样点个数比较大时，其估计性能比原始的 Capon 方法更好。

图 11 示出了本发明提供的高分辨率 DOA 估计系统的结构原理，其中各个模块可以通过软件、硬件或软硬件结合的方式实现。

参照图 11 ，本高分辨率 DOA 估计系统包括扫描模块 111 、相位计算模块 112 、虚拟扩展信号构建模块 113 、估计模块 114 。其中，扫描模块 111 用于利用每个发射信号对每根接收天线的接收信号进行扫描，发射信号由目标源反射；然后相位计算模块 112 将扫描到的信号分别与发射信号相乘，得到每根接收天线的接收信号中各个峰值点对应的相位。虚拟扩展信号构建模块 113 根据相位计算模块 112 得到的相位以及发射信号构建虚拟扩展信号；最后，由估计模块 114 将虚拟扩展信号和接收信号组成新的接收信号，计算新的接收信号的协方差和 Capon 波束形成系数，进而完成 DOA 的估计。

其中，估计模块 114 通过如下公式得到新的接收信号：

其中，N_r 表示接收天线的根数， T 表示矩阵的转置， y1m 、 y2m ， yN_rm 为在第 m 个脉冲时，由目标源反射后到达第 1 根、第 2 根、第 N_r 根接收天线的接收信号，

为构建的虚拟扩展信号。

进一步地，该系统还包括一判断模块，用于统计扫描模块 111 对每根接收天线扫描到的大于预设的极大值点个数阈值的个数 N ，当各个接收天线的极大值点的个数 N 相等且大于预设的极大值点个数阈值时，触发相位计算模块 112 执行计算，而当各个接收天线的极大值点的个数 N 相等且不大于预设的极大值点个数阈值时，触发估计模块 114 采用原始的 Capon 估计方法进行 DOA 的估计。经试验验证，上述预设的极大值点个数阈值为 2 时效果较为理想。

上述各模块的运算原理如上文，此处不再一一赘述。

本发明在不增加现有接收天线和发射天线的情况下提高天线的自由度，尤其适用于当采样点个数比较少且 SNR 比较低或者采样点个数比较多的情况下的 MIMO 雷达中高分辨率的 DOA 估计。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

一种高分辨率 DOA 估计方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤 A ，各接收天线接收由目标源反射的发射信号；

步骤 B ，利用每个发射信号对每根接收天线的接收信号进行扫描；

步骤 C ，将步骤 B 所扫描到的信号分别与发射信号相乘，得到每根接收天线的接收信号中各个峰值点对应的相位；

步骤 D ，根据步骤 C 得到的相位以及发射信号构建虚拟扩展信号；

步骤 E ，利用所述虚拟扩展信号和接收信号组成新的接收信号，计算所述新的接收信号的协方差和 Capon 波束形成系数，进而完成 DOA 的估计。
权利要求1所述的高分辨率DOA估计方法，其特征在于，在步骤B与步骤C之间，还包括下述步骤：

步骤B1，统计步骤B中每根接收天线扫描到的极大值点的个数N；

步骤B2，当各个接收天线的极大值点的个数N相等且大于预设的极大值点个数阈值时，执行步骤C。
如权利要求1所述的高分辨率DOA估计方法，其特征在于，步骤E中新的接收信号r1通过如下公式得到:

其中，N_r表示接收天线的根数，T表示矩阵的转置，y1m、y2m，yNrm为在第m个脉冲时，由目标源反射后到达第1根、第2根、第Nr根接收天线的接收信号，
为构建的虚拟扩展信号。
如权利要求2所述的高分辨率DOA估计方法，其特征在于，在步骤B与步骤C之间，还包括下述步骤：

步骤B3，当各个接收天线的极大值点的个数N相等且不大于预设的极大值点个数阈值时，则采用原始的Capon估计方法进行DOA的估计。
如权利要求2或4所述的高分辨率DOA估计方法，其特征在于，所述预设的极大值点个数阈值为2。
一种高分辨率DOA估计系统，其特征在于，包括：

扫描模块，用于利用每个发射信号对每根接收天线的接收信号进行扫描；所述发射信号由目标源反射；

相位计算模块，用于将扫描到的信号分别与发射信号相乘，得到每根接收天线的接收信号中各个峰值点对应的相位；

虚拟扩展信号构建模块，用于根据所述相位计算模块得到的相位以及发射信号构建虚拟扩展信号；

估计模块，用于将所述虚拟扩展信号和接收信号组成新的接收信号，计算所述新的接收信号的协方差和Capon波束形成系数，进而完成DOA的估计。
如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

判断模块，用于统计所述扫描模块对每根接收天线扫描到的极大值点的个数N，当各个接收天线的极大值点的个数N相等且大于预设的极大值点个数阈值时，触发所述相位计算模块执行计算。
如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述估计模块通过如下公式得到新的接收信号：

其中，N_r表示接收天线的根数，T表示矩阵的转置，y1m、y2m，yNrm为在第m个脉冲时，由目标源反射后到达第1根、第2根、第Nr根接收天线的接收信号，
为构建的虚拟扩展信号。
如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述估计模块还用于在各个接收天线的极大值点的个数N相等且不大于预设的极大值点个数阈值时，采用原始的Capon估计方法进行DOA的估计。
如权利要求7或9所述的系统，其特征在于，所述预设的极大值点个数阈值为2。