专利摘要

专利摘要

本发明公开了一种适用于任意线阵的单快拍离格信号波达方向估计方法，属于阵列信号处理技术领域。本发明对于单一离格信号波达方向估计，首先根据单快拍阵元数据获得位于候选网格上的信号波达方向初始估计值，并据此得到相应的阵列导向矢量；计算阵列导向矢量张成的子空间的正交子空间；对正交子空间做特征分解，得到对应于非零特征值的特征向量；将偏离网格的角度值作为估计参数对信号波达方向初始估计值进行校正，得到最终的波达方向。利用单一离格信号波达方向估计方法，得到多离格信号中第K个信号的波达方向估计值和估计幅度。本发明能够采用任意线阵，可以获得单一离格信号和多离格信号波达方向的精确估计。

权利要求

1.一种适用于任意线阵的单快拍离格信号波达方向估计方法，其特征在于：包括对于单一离格信号波达方向估计和对于多离格信号波达方向估计；对于所述的单一离格信号波达方向估计，包括如下步骤：

步骤一：接收单快拍阵元数据，根据单快拍阵元数据利用波束形成方法获得位于候选网格上的信号波达方向初始估计值；

步骤二：根据信号波达方向初始估计值，得到相应的阵列导向矢量；

步骤三：计算所述的阵列导向矢量张成的子空间的正交子空间；

步骤四：对正交子空间做特征分解，得到对应于非零特征值的特征向量；

步骤五：将与信号波达方向初始估计值相应的阵列导向矢量和特征向量结合构成新的矩阵Fa，利用矩阵Fa中阵列导向矢量和特征向量的正交性，将偏离网格的角度值作为估计参数对信号波达方向初始估计值进行校正，得到最终的波达方向；

对于所述的多离格信号波达方向估计，包括如下步骤：

第一步：假设有K个信号，K大于2；根据单快拍阵元数据利用波束形成方法获得位于候选网格上的各个信号波达方向初始估计值；

第二步：根据各个信号波达方向初始估计值和单快拍阵元数据，采用波束形成方法估计信号幅度，得到各个信号估计幅度；

第三步：将前K-1个信号的波达方向初始估计值对应的阵列导向矢量和各个信号估计幅度相乘得到前K-1个信号的阵元数据；

第四步：从接收的单快拍阵元数据中减掉前K-1个信号的阵元数据，得到第K个信号的阵元数据，利用所述单一离格信号波达方向估计方法，得到第K个信号的波达方向估计值；

第五步：根据第K个信号的波达方向估计值和第K个信号的阵元数据，采用波束形成方法估计第K个信号的幅度，得到第K个信号的估计幅度；

由此，得到K个信号的波达方向估计值和估计幅度，再呈“z”字形三次往返循环校正所有信号的角度和幅度。

2.根据权利要求1所述的一种适用于任意线阵的单快拍离格信号波达方向估计方法，其特征在于：步骤五中所述的校正，具体过程为，

定义向量z＝[1,0,...,0]T：

Φ(η)y＝Faz(4)

其中，校正矩阵为c1,c2,...,cN代表N根天线阵元位置，假设实值确定性信号的幅值为1，即s1＝1；在无噪声的情况下，将公式(4)写成矩阵形式：

将偏离网格的角度值η作为估计参数对信号波达方向初始估计值θini进行校正,得到信号波达方向估计值：

说明书

技术领域

本发明属于阵列信号处理技术领域，具体涉及一种适用于任意线阵的单快拍离格信号波达方向估计方法。

背景技术

波达方向估计一直是阵列信号处理的热点内容，在通信、雷达和声纳等领域都有广泛的应用。传统的多重信号分类法和信号参数估计的旋转不变子空间技术已经具有较高的估计性能，但是这些算法都是基于特征值分解运算的基础上进行的，而且往往为了获得良好的估计性能需要大量的快拍数，无法有效地应用于单快拍情况，这在实际的工程应用中不太实际。

在实际信号环境中，高速运动目标对系统的实时性要求高，接收到的有效数据仅有几次快拍数据，基于大量快拍数据的波达方向估计算法在现有硬件系统情况下无法满足实际需要，为此利用单快拍数据进行波达方向估计成为一种解决方案。在阵列接收数据有限、目标高速运动的前提下，可以实现对目标的实时处理，并具有较高的波达方向估计精度，可为高速运动目标的定位和跟踪提供技术支持。

随着压缩感知技术的兴起，稀疏表示理论逐渐应用到波达方向估计中。在应用稀疏表示理论进行波达方向估计之前，需要在角度域进行等间隔划分以构建精细的过完备字典，因此，这些基于稀疏表示的波达方向估计算法只能估计位于过完备字典原子网格上的信号。当信号的波达方向不位于网格上时(定义为离格信号)，这类算法的估计精度将急剧下降。因此离格信号的稀疏重建受到广泛关注。

在阵列处理过程中线阵有着广泛的用途。均匀线阵结构简单，便于分析研究。在阵元数相等的情况下,相比均匀线阵,非均匀线阵可以尽可能扩展阵列的孔径，获得更高的自由度。因此，在实际应用中,这就需要找到尽可能适应任意线阵的波达方向估计方法。

发明内容

鉴于实际中单快拍数据的限制和离格信号波达方向估计的实际需求，本发明采用任意线阵，提出一种适用于任意线阵的单快拍离格信号波达方向估计方法，为实际有限条件下的信号波达方向估计提供关键技术。所述的任意线阵包括均匀线阵和非均匀线阵。

本发明提供的一种适用于任意线阵的单快拍离格信号波达方向估计方法，包括对于单一离格信号波达方向估计和对于多离格信号波达方向估计。对于所述的单一离格信号波达方向估计，包括如下步骤：

步骤一：接收单快拍阵元数据，根据单快拍阵元数据利用波束形成方法获得位于候选网格上的信号波达方向初始估计值；

步骤二：根据信号波达方向初始估计值，得到相应的阵列导向矢量；

步骤三：计算所述的阵列导向矢量张成的子空间的正交子空间；

步骤四：对正交子空间做特征分解，得到对应于非零特征值的特征向量；

步骤五：将与信号波达方向初始估计值相应的阵列导向矢量和特征向量结合构成新的矩阵Fa，利用矩阵Fa中阵列导向矢量和特征向量的正交性，将偏离网格的角度值作为估计参数对信号波达方向初始估计值进行校正，得到最终的波达方向。

对于所述的多离格信号波达方向估计，包括如下步骤：

第一步：假设有K个信号，K大于2。根据单快拍阵元数据利用波束形成方法获得位于候选网格上的各个信号波达方向初始估计值；

第二步：根据各个信号波达方向初始估计值和单快拍阵元数据，采用波束形成方法估计信号幅度，得到各个信号估计幅度；

第三步：将前K-1个信号的波达方向初始估计值对应的阵列导向矢量和各个信号估计幅度相乘得到前K-1个信号的阵元数据；

第四步：从接收的单快拍阵元数据中减掉前K-1个信号的阵元数据，得到第K个信号的阵元数据，利用单一离格信号波达方向估计方法，得到第K个信号的波达方向估计值。

第五步：根据第K个信号的波达方向估计值和第K个信号的阵元数据，采用波束形成方法估计第K个信号的幅度，得到第K个信号的估计幅度；

以此类推，得到K个信号的波达方向估计值和估计幅度，再呈“z”字形三次往返循环校正所有信号的角度和幅度。

本发明的优点在于：

1、本发明适用于任意线阵的单快拍离格信号波达方向估计方法，能够采用任意线阵，在单快拍数据的条件下，对离格信号进行精确估计，为实际有限条件下的信号波达方向估计提供关键技术。

2、本发明适用于任意线阵的单快拍离格信号波达方向估计方法，不但可以获得单一离格信号波达方向的精确估计还可以对多离格信号波达方向进行精确估计。

附图说明

图1A为本发明适用于任意线阵的单快拍单一离格信号波达方向估计方法流程图。

图1B为本发明适用于任意线阵的单快拍多离格信号波达方向估计方法流程图。

图2为8天线均匀线阵示意图。

图3为8天线均匀线阵下单一离格信号均方误差随信噪比变化曲线图。

图4为32天线均匀线阵示意图。

图5为32天线均匀线阵下三个离格信号均方误差随信噪比变化曲线图。

图6为8天线非均匀线阵示意图。

图7为8天线非均匀线阵下单一离格信号均方误差随信噪比变化曲线图。

图8为32天线非均匀线阵示意图。

图9为32天线非均匀线阵下三个离格信号均方误差随信噪比变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供的一种适用于任意线阵的单快拍离格信号波达方向估计方法，如图1A所示，对于单一离格信号波达方向估计，具体步骤如下：

步骤一:接收单快拍阵元数据，根据单快拍阵元数据利用波束形成方法获得位于候选网格上的信号波达方向初始估计值。

设单快拍阵元数据为y＝a(θ)s1+n，θ为信号入射角度，阵列导向矢量a(θ)为 其中，c1,c2,...,cN代表N根天线阵元位置，s1为实值确定性信号，n为高斯白噪声。对单快拍阵元数据采用波束形成方法得到x＝Fy，F为M×N维矩阵，矩阵F中阵元(p,q)为 p＝1,...,M,q＝1,...,N。对单快拍阵元数据采用波束形成方法第p个阵元数据为：

x中出现峰值的位置记作pini，根据峰值位置获得信号波达方向初始估计值：

步骤二：根据信号波达方向初始估计值，得到相应的阵列导向矢量：

步骤三：计算此阵列导向矢量张成的子空间的正交子空间：

I为N×N维的单位矩阵。

步骤四：对正交子空间做特征分解，得到对应于N-1个非零特征值的特征向量a2,…,aN。

步骤五：将与信号波达方向初始估计值相应的阵列导向矢量和特征向量结合构成新的矩阵Fa＝[a1,a2,…aN]，利用矩阵Fa中阵列导向矢量和特征向量的正交性，将偏离网格的角度值η作为估计参数对信号波达方向初始估计值进行校正。

定义向量z＝[1,0,...,0]T。校正过程为：

Φ(η)y＝Faz(4)

其中，校正矩阵为 假设实值确定性信号的幅值为1，即s1＝1。

在无噪声的情况下，将公式(4)写成矩阵形式：

将偏离网格的角度值η作为估计参数对信号波达方向初始估计值θini进行校正,得到信号波达方向估计值：

对于多离格信号波达方向估计，具体步骤如下：

第一步：假设有K个信号，根据单快拍阵元数据利用波束形成方法获得位于候选网格上的各个信号波达方向初始估计值。

单快拍阵元数据为y＝As+n，阵列流形矩阵A为：A＝[a(θ1),...a(θK)]，其中，θ＝[θ1,...,θK]为K个信号的入射角度，第k个信号的阵列导向矢量a(θk)为 c1,c2,...,cN代表N根天线阵元位置，K×1维实值确定性信号s＝[s1,s2,...sK]，n为高斯白噪声。对单快拍阵元数据采用波束形成方法得到x＝Fy，F为M×N维矩阵，矩阵F中阵元(p,q)为 p＝1,...,M,q＝1,...,N。对单快拍阵元数据采用波束形成方法第p个阵元的数据为：

其中，sk为第k个信号的幅值。

x中出现K个峰值的位置记作 根据峰值位置获得K个信号波达方向初始估计值：

第二步：根据信号波达方向初始估计值和阵元数据，采用波束形成方法估计信号幅度，得到估计幅度:

第三步：将前K-1个信号波达方向初始估计值对应的阵列导向矢量和估计幅度相乘得到前K-1个信号的阵元数据:

第四步：从接收的原始阵元数据中减掉前K-1个信号的阵元数据，得到第K个信号的阵元数据yK＝y-y(K-1)，利用单一离格信号波达方向估计方法，得到第K个信号的波达方向估计值：

根据第K个信号波达方向初始估计值，得到相应的阵列导向矢量：

计算此阵列导向矢量张成的子空间的正交子空间： I为N×N维的单位矩阵。

对正交子空间做特征分解，得到对应于N-1个非零特征值的特征向量

将与第K个信号波达方向初始估计值相应的阵列导向矢量和特征向量结合构成新的矩阵 利用矩阵 中阵列导向矢量和特征向量的正交性，将偏离网格的角度值η作为估计参数对信号波达方向初始估计值进行校正：

其中，向量z＝[1,0,...,0]Τ。校正矩阵为 yK为第K个信号的阵元数据， 为第K个信号的阵列导向矢量和特征向量结合构成新的矩阵。

在无噪声的情况下，将公式(11)写成矩阵形式：

将偏离网格的角度值η作为估计参数对信号波达方向初始估计值 进行校正，得到第K个信号波达方向估计值

第五步：根据第K个信号的波达方向估计值和第K个信号的阵元数据，采用波束形成方法得到第K个信号的估计幅度:

由此得到K个信号的波达方向估计值和估计幅度，再呈“z”字形三次往返循环校正所有信号的波达方向和幅度。

实施例：

为验证本发明的正确性，进行了相关仿真实验。单一离格信号波达方向估计的仿真实验中采用8根天线的均匀线阵如图2所示，阵元位置以信源波长的一半 为单位。信号入射角度为30.5°，信号幅度为1。快拍数为1。采用均方误差作为衡量标准：

均方误差随信噪比变化的曲线如图3所示，仿真结果为200次蒙特卡罗实验的统计结果。结果显示在信噪比大于5dB情况下，均方误差逼近克拉美劳界，有较高的估计精度。多离格信号波达方向估计的仿真实验中采用32根天线的均匀线阵如图4所示，阵元位置以信源波长的一半 为单位。3个非相干信号入射角度为30.5°，60.5°，80.5°，信号幅度均为1。快拍数为1。均方误差随信噪比变化的曲线如图5所示。仿真结果为200次蒙特卡罗实验的统计结果。结果显示在信噪比大于0dB情况下，三个信号的均方误差均逼近克拉美劳界，有较高的估计精度。

单一离格信号波达方向估计的仿真实验中采用8根天线的非均匀线阵如图6所示，阵元位置以信源波长的一半 为单位。信号入射角度为30.5°，信号幅度为1。快拍数为1。均方误差随信噪比变化的曲线如图7所示，仿真结果为200次蒙特卡罗实验的统计结果。结果显示在信噪比大于5dB情况下，均方误差逼近克拉美劳界，有较高的估计精度。多离格信号波达方向估计的仿真实验中采用32根天线的非均匀线阵如图8所示，阵元位置以信源波长的一半 为单位。3个非相干信号入射角度为30.5°，60.5°，80.5°，信号幅度均为1。快拍数为1。均方误差随信噪比变化的曲线如图9所示。仿真结果为200次蒙特卡罗实验的统计结果。结果显示在信噪比大于0dB情况下，三个信号的均方误差均逼近克拉美劳界，有较高的估计精度。

根据仿真图可以看到，本发明适用于任意线阵。即使在天线阵元数较少的情况下，本发明提出方法的均方误差仍能逼近克拉美劳界，算法仍然具有较高的估计精度。同时，本发明提出的方法不论是对单一离格信号还是对多离格信号都能进行精确估计，具有比较理想的估计性能。

一种适用于任意线阵的单快拍离格信号波达方向估计方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。