專(zhuān)利名稱(chēng)：基于迭代譜重構(gòu)的寬帶信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于目標(biāo)識(shí)別和定位方法技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種空間寬帶入射信號(hào)波達(dá)方向(DOA)估計(jì)技術(shù)，它以無(wú)線(xiàn)通信、雷達(dá)、聲納等領(lǐng)域?yàn)閷?shí)際應(yīng)用背景，可用于在弱信號(hào)、短數(shù)據(jù)、相干源和非相干源條件下高精度定位寬帶信源的波達(dá)方向。
背景技術(shù)：
估計(jì)接收陣列天線(xiàn)的信號(hào)來(lái)波方向是進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和定位的基礎(chǔ)。目前，關(guān)于窄帶信號(hào)的波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，隨著實(shí)際應(yīng)用的需要，寬帶信號(hào)的波達(dá)方向估計(jì)已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。寬帶信號(hào)具有抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高、攜有的目標(biāo)信息量大、與背景噪聲相關(guān)性弱等特點(diǎn)，有利于目標(biāo)檢測(cè)、參量精確估計(jì)、目標(biāo)特征提取，以及具有低截獲和抗干擾等特性，已在超寬帶合成孔徑雷達(dá)、高距離分辨率雷達(dá)、寬帶低截獲雷達(dá)等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。寬帶信號(hào)的需求推動(dòng)了對(duì)寬帶陣列高分辨算法的研究，事實(shí)上，近二十年來(lái)，許多寬帶信號(hào)處理方法也應(yīng)運(yùn)而生。由于寬帶陣列信號(hào)的處理比窄帶信號(hào)的處理要復(fù)雜得多，運(yùn)算量更大，運(yùn)算也更為復(fù)雜，如何合理、充分地利用寬帶信息，以獲得比單純使用某一窄帶時(shí)更好的處理效果，是陣列信號(hào)處理面臨的研究課題，所以研究適合于寬帶信號(hào)的陣列高分辨算法具有非常重要的意義。目前寬帶信號(hào)的波達(dá)方向估計(jì)算法主要有兩大類(lèi):基于最大似然的方法和基于信號(hào)子空間的方法?；谧畲笏迫坏墓烙?jì)方法是建立在高斯白噪聲前提下的一種最優(yōu)估計(jì)算法。雖然基于最大似然方法的DOA估計(jì)性能是最優(yōu)的，但是該類(lèi)方法需要己知信號(hào)源的聯(lián)合功率譜密度和對(duì)函數(shù)進(jìn)行非線(xiàn)性多維優(yōu)化，導(dǎo)致這類(lèi)方法的計(jì)算非常復(fù)雜，并且因?yàn)槿菀资諗康骄植繕O值點(diǎn)使得估計(jì)結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此這類(lèi)方法很難在實(shí)際中得到應(yīng)用?；谛盘?hào)子空間的方法由于具有較低的計(jì)算復(fù)雜度和較高的估計(jì)性能，已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注，并且成為主要的寬帶陣列信號(hào)高分辨處理技術(shù)。目前基于信號(hào)子空間的方法主要有兩種:1.非相干信號(hào)子空間法(ISSM:1ncoherent signal subspace method)。該類(lèi)方法是 Wax 等人在 1984 年在〈〈spatio-temporal spectral analysis by eigenstructuremethod))上首次提出，其主要思想是:在寬帶信號(hào)的通帶范圍內(nèi)，將陣列接收到的寬帶信號(hào)分解成若干個(gè)不同頻率的窄帶信號(hào)，然后對(duì)各個(gè)頻率點(diǎn)的窄帶信號(hào)獨(dú)立地使用窄帶子空間類(lèi)算法(如MUSIC算法、ESPRIT算法等)，最后對(duì)各個(gè)窄帶處理的DOA估計(jì)結(jié)果進(jìn)行平均得到最終的DOA估計(jì)結(jié)果。但該算法不能直接估計(jì)寬帶相干信源的D0A，而且在小樣本、低信噪比時(shí)估計(jì)性能會(huì)急劇下降。2.相干信號(hào)子空間法(CSSM:coherent signal subspace method)。該方法是Wang 等人在 1985 年在〈〈coherent signal-subspace processing for the detection andestimation of angles of arrival of multiple wide-band sources〉〉上首次提出，是最典型的寬帶信號(hào)DOA估計(jì)算法。該方法主要思想是:通過(guò)聚焦矩陣將信號(hào)帶寬內(nèi)各個(gè)頻率點(diǎn)的數(shù)據(jù)變成同一參考頻率點(diǎn)的數(shù)據(jù)，聚焦后形成統(tǒng)一的陣列協(xié)方差矩陣并進(jìn)行方位估計(jì)。CSSM方法核心就是聚焦矩陣的構(gòu)造，根據(jù)不同的聚焦準(zhǔn)則可以構(gòu)造不同的聚焦矩陣，并形成了不同的CSSM算法。例如1988年Hung等人在《focussing matrices forcoherent signal-subspace processing》提出了方定轉(zhuǎn)信號(hào)子空間(RSS:rotational signalsubspace)算法,為了進(jìn)一步減少聚焦的擬合誤差，Valaee等人于I 995年在《widebandarray processing using a two-sided correlation transformation〉〉上提出了雙邊相關(guān)變換(TCT:two sided transformation)算法,2005年,李福昌等人在《寬帶測(cè)向算法研究》中提出了基于近似陣列流形變換的寬帶信號(hào)DOA估計(jì)方法，該方法通過(guò)極分解的性質(zhì)來(lái)構(gòu)造聚焦矩陣，但需要聚焦角度個(gè)數(shù)等于陣元個(gè)數(shù)，運(yùn)算量很大。CSSM方法及在其基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的RSS、TCT等算法都需要預(yù)先估計(jì)角度和預(yù)先選擇聚焦頻點(diǎn)，預(yù)估計(jì)偏差會(huì)影響聚焦的效果，當(dāng)偏差較大時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致算法完全失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種基于迭代譜重構(gòu)的寬帶信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)方法。本發(fā)明無(wú)需預(yù)估角，能提高在弱信號(hào)、短數(shù)據(jù)條件下寬帶信源的波達(dá)角估計(jì)精度，為目標(biāo)定位提供了一種有效的處理方法。用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)解決方案包括如下步驟:(I)目標(biāo)源產(chǎn)生的信號(hào)在空間傳播，通過(guò)接收空間的均勻陣列天線(xiàn)進(jìn)行采集，得到和目標(biāo)相關(guān)的接收數(shù)據(jù)；(2)對(duì)陣列天線(xiàn)接收的寬帶信號(hào)進(jìn)行頻率分割，得到多個(gè)頻點(diǎn)窄帶信號(hào)，初始化每個(gè)頻點(diǎn)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣/)(./,_)，Z = I,…■/，其中J是劃分子帶的個(gè)數(shù)；(3)根據(jù)其中某一個(gè)頻點(diǎn)處觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，得到搜索角度空間的初始化功率矩陣於(/，的；

(4)根據(jù)初始化的功率矩陣更新該頻點(diǎn)處信號(hào)的協(xié)方差矩陣，利用該頻點(diǎn)更新的協(xié)方差矩陣，采用最小二乘方法，得到搜索角度空間對(duì)應(yīng)最優(yōu)權(quán)，保證在搜索角度上輸出的信號(hào)功率最大，最大限度的抑制噪聲；(5)利用每個(gè)搜索角度上的最優(yōu)權(quán)，更新對(duì)應(yīng)角度的功率，得到該頻點(diǎn)處在搜索空間的更新功率矩陣Paw);(6)把更新后的功率矩陣#’(/；，的作為下一個(gè)頻點(diǎn)的初始化功率矩陣，重復(fù)步驟(3 )和(4 )，直到所有頻點(diǎn)都處理完。(7)根據(jù)最后一個(gè)頻點(diǎn)處的功率矩陣務(wù)(/，的得到其譜峰所對(duì)應(yīng)的角度&即:^ = argmax(P(./；,6 ))，該纟即為估計(jì)的信號(hào)波達(dá)方向。本發(fā)明的技術(shù)解決方案還在于:步驟(2)所述的寬帶信號(hào)的頻率分割及協(xié)方差矩陣的初始化，按如下步驟進(jìn)行:a)用加窗離散傅立葉變換(DFT)將天線(xiàn)接收到的寬帶信號(hào)進(jìn)行頻域分割，在頻域fj處第m個(gè)天線(xiàn)接收信號(hào)的數(shù)學(xué)模型為:
權(quán)利要求
1.種基于迭代譜重構(gòu)的寬帶信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)目標(biāo)源產(chǎn)生的信號(hào)在空間傳播，通過(guò)接收空間的均勻陣列天線(xiàn)進(jìn)行采集，得到和目標(biāo)相關(guān)的接收數(shù)據(jù)； (2)對(duì)陣列天線(xiàn)接收的寬帶信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率分割，得到多個(gè)頻點(diǎn)窄帶信號(hào)，初始化每個(gè)頻點(diǎn)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣R(fi),i=1,...J,其中J是劃分子帶的個(gè)數(shù)； (3)根據(jù)其中某一個(gè)頻點(diǎn)處觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，得到搜索角度空間的初始化功率矩陣P(fi,θ); (4)根據(jù)初始化的功率矩陣更新該頻點(diǎn)處信號(hào)的協(xié)方差矩陣，利用該頻點(diǎn)更新的協(xié)方差矩陣，采用最小二乘方法，得到搜索角度空間對(duì)應(yīng)最優(yōu)權(quán)，保證在搜索角度上輸出的信號(hào)功率最大，最大限度的抑制噪聲； (5 )利用每個(gè)搜索角度上的最優(yōu)權(quán)，更新對(duì)應(yīng)角度的功率，得到該頻點(diǎn)處在搜索空間的更新功率矩陣P(fi,θ); (6)把更新后的功率矩陣P(fi,θ)的作為下一個(gè)頻點(diǎn)的初始化功率矩陣，重復(fù)步驟(3)和(4)，直到所有頻點(diǎn)都處理完； (7)根據(jù)最后一個(gè)頻點(diǎn)處的功率矩陣P(fi,θ)的得到其譜峰所對(duì)應(yīng)的角度θ,即:θ = arg max(P'(fi ,θ)),該θ即為估計(jì)的信號(hào)波達(dá)方向。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的基于迭代譜重構(gòu)的寬帶信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)方法，其特征在于:步驟(2)所述的寬帶信號(hào)的頻率分割及協(xié)方差矩陣的初始化，按如下步驟進(jìn)行: 2a)用加窗離散傅立葉變換將天線(xiàn)接收到的寬帶信號(hào)進(jìn)行頻域分割，在頻域A處第m個(gè)天線(xiàn)接收信號(hào)的數(shù)學(xué)模型為:
3.據(jù)權(quán)利要求1所述的基于迭代譜重構(gòu)的寬帶信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)方法，其特征在于:步驟(3)所述的初始化功率矩陣P(fi,θ);為:
4.據(jù)權(quán)利要求1所述的基于迭代譜重構(gòu)的寬帶信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)方法，其特征在于:步驟(4)所述的根據(jù)初始化功率矩陣能重構(gòu)該頻點(diǎn)處信號(hào)的協(xié)方差矩陣I(ZJ),采用最小二乘方法得到每個(gè)搜索角對(duì)應(yīng)的最優(yōu)權(quán)w ( Θ k)，按如下步驟進(jìn)行: 4a)設(shè) A(fi，Θ ) = [a(fi,θ κ)],是一個(gè) MXK 的陣列流形,其中 a 況，Θ k)是第i個(gè)頻點(diǎn)處在第k個(gè)搜索角的導(dǎo)向矢量，重構(gòu)的協(xié)方差矩陣為；
5.據(jù)權(quán)利要求1所述的基于迭代譜重構(gòu)的寬帶信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)方法，其特征在于:步驟(5)中的利用最優(yōu)權(quán)和該頻點(diǎn)處觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣可按如下公式更新該頻點(diǎn)處的功率矩陣:
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于迭代譜重構(gòu)的寬帶信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)過(guò)程為把陣列天線(xiàn)接收數(shù)據(jù)通過(guò)加窗傅立葉變換變換到頻域內(nèi)，對(duì)頻域的數(shù)據(jù)進(jìn)行多個(gè)子帶的頻域分割，初始化每個(gè)子帶的協(xié)方差矩陣；根據(jù)其中一個(gè)頻點(diǎn)的協(xié)方差矩陣得到該頻點(diǎn)的初始化功率矩陣；根據(jù)初始化的功率矩陣更新該頻點(diǎn)處信號(hào)的協(xié)方差矩陣，并采用最小二乘方法，得到搜索角度空間對(duì)應(yīng)最優(yōu)權(quán)；根據(jù)每個(gè)搜索角度上的最優(yōu)權(quán)，更新對(duì)應(yīng)角度的功率，得到下一個(gè)頻點(diǎn)的初始化功率矩陣并迭代處理，通過(guò)搜索角度空間的功率譜峰估計(jì)信號(hào)的波達(dá)方向。本發(fā)明在弱信號(hào)、短數(shù)據(jù)情況下能估計(jì)出寬帶入射信源的波達(dá)方向，精度高，并具有解相干之優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01S3/14GK103091661SQ20131003971
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月1日
發(fā)明者賀順, 張釋如, 李國(guó)民, 侯穎, 王瑜 申請(qǐng)人:西安科技大學(xué)