專利名稱：基于非正交分解的空間輻射源到達(dá)角估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間輻射源來波參數(shù)的估計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種空間輻射源來波到達(dá)角的估計(jì)方法。
背景技術(shù)：
空間輻射源來波參數(shù)如來波到達(dá)角的估計(jì)在無線電通信、雷達(dá)、聲納、地震探測、導(dǎo)航和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，一直是通信、雷達(dá)、聲納等設(shè)備上使用的重點(diǎn)技術(shù)。經(jīng)過多年的深入研發(fā)，到達(dá)角的估計(jì)方法得到了迅猛發(fā)展。現(xiàn)在，主要有兩類方法MUSIC(多信號分類)算法和ESPRIT(借助旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)估計(jì)參數(shù))算法。MUSIC類方法的核心是將陣列接收數(shù)據(jù)投影到兩個(gè)子空間---代表信號的信號子空間和代表噪聲的噪聲子空間，由于假設(shè)信號和噪聲不相關(guān)，所以認(rèn)為信號子空間的投影分量和噪聲子空間的投影分量正交，在到達(dá)角值域中搜索與噪聲正交的分量，從而求得來波到達(dá)角參數(shù)。MUSIC算法的優(yōu)點(diǎn)是算法僅需一次特征值分解，然后主要進(jìn)行簡單的測量和存儲工作，并得到了較高的估計(jì)精度。但MUSIC算法的計(jì)算量和需要的存儲量均很大，而且在低信噪比、陣列傳感器存在誤差或信號源相關(guān)時(shí)性能變差甚至失效。ESPRIT算法的工作原理是利用兩個(gè)完全相同的子陣列，將兩個(gè)子陣列放在間距為d(d小于半波長)的兩個(gè)位置上，則兩個(gè)子陣列之間除了間距d以外其它都是完全相同的，表現(xiàn)在兩個(gè)子陣接收到的電磁波來說，除了相應(yīng)于間距d的相位移以外，其它都是相同的。利用這個(gè)關(guān)系，通過矩陣運(yùn)算，可以求解出相位移，再根據(jù)相位移和到達(dá)角之間的幾何關(guān)系，求出各信號的到達(dá)角。ESPRIT算法大大減小了MUSIC的計(jì)算和存儲的要求，而且不需要對所有可能的方向進(jìn)行反復(fù)搜索來估計(jì)波達(dá)方向。但由于ESPRIT算法基于完全相同的兩個(gè)子陣列，因此當(dāng)兩個(gè)子陣列不完全一樣時(shí)，即存在陣列誤差時(shí)，算法將失效。這種算法在低信噪比、陣列傳感器存在誤差或信號源相關(guān)時(shí)同樣性能變差甚至失效。因此采用現(xiàn)有到達(dá)角估計(jì)方法的通信、雷達(dá)等設(shè)備均對信噪比、陣列誤差以及信源相關(guān)環(huán)境等有苛刻要求，大大阻礙了通信、雷達(dá)、聲納等系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于非正交分解的空間輻射源到達(dá)角估計(jì)方法。該方法估算精度高，在低信噪比，空間信號源相關(guān)的情況下仍然適用，而且對天線陣列誤差不敏感，其所需計(jì)算量和存儲量小，可用于各種通信、雷達(dá)、聲納設(shè)備上。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為一種基于非正交分解的空間輻射源到達(dá)角估計(jì)方法，其步驟包括由分布于空間的M個(gè)天線陣元構(gòu)成天線陣列接收空間輻射源信號，采集天線陣元上的數(shù)據(jù)矢量X，然后在數(shù)字處理模塊中對采集的數(shù)據(jù)矢量進(jìn)行處理，估計(jì)出空間輻射源信號的到達(dá)角并輸出，其特征在于所述將天線陣元采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的具體作法為a、構(gòu)造非正交過完備原子向量庫G原子向量g的公式為g=ejω0t1···exp(-jω0((xm+ymtgθ)sinθ-ym/cosθ)/c)···exp(-jω0((xM+yMtgθ)sinθ-yM/cosθ)/c)]]>式中，ω0為空間輻射源信號的載頻，m＝1，2...M為天線陣元的序數(shù)，xm、ym分別為第m個(gè)天線陣元相對m＝1的第一個(gè)天線陣元的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，c為光速，θ為原子向量g的空間到達(dá)角參數(shù)，將θ在空間輻射源到達(dá)角的最大取值范圍內(nèi)等間隔取不同的值，獲得若干原子向量g，即構(gòu)造出非正交過完備原子向量庫G；b、對天線陣列接收的數(shù)據(jù)矢量X在非正交過完備原子庫G中進(jìn)行匹配處理將陣列天線接收數(shù)據(jù)在a步建立的非正交過完備原子庫G中作投影，選擇可以得到投影分量最大的原子向量g作為最佳原子向量；該最佳原子向量的空間到達(dá)角參數(shù)θ，即為空間輻射源到達(dá)角參數(shù)的估計(jì)值。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明是將天線陣列接受到的空間輻射源的數(shù)據(jù)矢量在非正交過完備原子庫中作投影，選擇可以得到投影分量最大的原子作為最佳原子，從而估計(jì)出空間輻射源的達(dá)到角。由于非正交原子向量庫的構(gòu)造方法是根據(jù)擬估計(jì)的空間輻射源特征參數(shù)計(jì)算生成。可以充分利用輻射源的已知信息，因此可以在極低信噪比環(huán)境下估計(jì)出信號參數(shù)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本發(fā)明在低信噪比的環(huán)境下，估計(jì)結(jié)果精度高，比現(xiàn)有的方法的誤差成倍降低。當(dāng)多個(gè)輻射源信號相關(guān)時(shí)，只要信號之間有一點(diǎn)區(qū)別，就可以成功區(qū)分信號，分別估計(jì)出各信號的參數(shù)，從而對信號源的相關(guān)環(huán)境要求低，由于這種方法的參數(shù)的獲得主要依賴所采用的非正交原子向量庫，如果此向量庫是按照已完成的天線陣列參數(shù)設(shè)定的，就可以突破以往方法中假設(shè)陣列天線為理想天線，即假設(shè)天線陣元間距無誤差，所有陣元完全相同的限制，從而可以在任意排列的陣列條件下，獲得更為精確的參數(shù)估計(jì)。
非正交過完備原子庫為根據(jù)公式計(jì)算得出，它是在處理時(shí)根據(jù)空間輻射源及天線陣列的特征實(shí)時(shí)計(jì)算得出待用非正交過完備原子庫。無需在事先存儲大量的各種原子庫，其計(jì)算與儲存容量小。
上述天線陣列為均勻線型陣列，a步構(gòu)造非正交過完備原子向量G庫時(shí)，原子向量的公式為g=ej(ω0t)1···exxp(-jω0(m-1)dsinθ/c)···exp(-jω0(M-1)dsinθ/c)]]>式中，d為均勻線型陣列的陣元間距。此公式是通過將以上的一般陣列的原子向量公式g中，令xm＝(m-1)d，ym＝0轉(zhuǎn)化而成。
采用均勻線型陣列，既使天線陣列帶來的誤差減小，又使本發(fā)明的計(jì)算與匹配處理更加簡單容易。
上述的a步構(gòu)造非正交過完備原子向量庫G時(shí)，將θ在空間輻射源達(dá)到角的最大取值范圍內(nèi)按1至5度等間隔取不同的值，求得不同的原子向量g，所有原子向量g即構(gòu)成初步的非正交過完備原子向量庫G；再按b步的作法進(jìn)行匹配處理，得到初次匹配的最佳原子的空間到達(dá)角參數(shù)θ；再以該到達(dá)角參數(shù)為中心，按a步的方法在空間到達(dá)角參數(shù)θ初次取值間隔的范圍內(nèi)，按間隔0.1至0.5度均勻取值，求得新的原子向量g，得到與空間輻射源達(dá)到角更逼近、空間到達(dá)角θ間隔更小的非正交過完備原子向量庫G，進(jìn)行b步的第二次匹配，得到精度為0.1至0.5度的最佳原子到達(dá)角參數(shù)θ；如此循環(huán)，即得到符合精度要求的最佳原子到達(dá)角參數(shù)θ。
采用逐次逼近匹配的方法，使得本發(fā)明構(gòu)造的原子庫的原子總量小，但集中于輻射源信號特征附近，相互間特征參數(shù)差別小的原子的數(shù)量卻很多，可以在很低的計(jì)算量下，快速地、高精度地估計(jì)得到空間輻射源的達(dá)到角參數(shù)。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例一的條件下，本發(fā)明的方法以及現(xiàn)有的ESPRIT和MUSIC兩種方法的到達(dá)角估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差與信噪比的關(guān)系曲線。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例二的條件下，本發(fā)明的方法以及現(xiàn)有的ESPRIT和MUSIC兩種方法的到達(dá)角估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差與信噪比的關(guān)系曲線。
圖1、圖2中，縱軸為估計(jì)得到的到達(dá)角標(biāo)準(zhǔn)差σ，橫軸為估計(jì)時(shí)的來波信號的信噪比SNR，單位為dB；帶“*”的曲線為Music方法的關(guān)系曲線，帶“+”號的曲線為Esprit方法的關(guān)系曲線，帶“○”的曲線為本發(fā)明方法的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一一種基于非正交分解的空間輻射源到達(dá)角估計(jì)方法，其步驟包括由分布于空間的M個(gè)天線陣元構(gòu)成天線陣列接收空間輻射源信號，采集天線陣元上的數(shù)據(jù)矢量X，然后在數(shù)字處理模塊中對采集的數(shù)據(jù)矢量進(jìn)行處理，估計(jì)出空間輻射源信號的到達(dá)角并輸出，其特征在于所述將天線陣元采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的具體作法為a、構(gòu)造非正交過完備原子向量庫G原子向量g的公式為g=ejω0t1···exp(-jω0((xm+ymtgθ)sinθ-ym/cosθ)/c)···exp(-jω0((xM+yMtgθ)sinθ-yM/cosθ)/c)]]>
式中，ω0為空間輻射源信號的載頻，m＝1，2...M為天線陣元的序數(shù)，xm、ym分別為第m個(gè)天線陣元相對m＝1的第一個(gè)天線陣元的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，c為光速，θ為原子向量g的空間到達(dá)角參數(shù)，將θ在空間輻射源到達(dá)角的最大取值范圍內(nèi)等間隔取不同的值，獲得若干原子向量g，即構(gòu)造出非正交過完備原子向量庫G；具體而言，本例的M＝3，即由3個(gè)天線陣元組成均勻天線陣列，接收空間輻射源信號，陣元間距d＝0.05m，也即本例的ym＝0，xm＝(m-1)d?？臻g輻射源發(fā)出一個(gè)中心頻率f0＝3GHz即ω0＝6π*109的信號，其入射到天線陣列上的角為60.12度；也即其到達(dá)天線陣列的到達(dá)角為60.12度。此時(shí)構(gòu)造非正交過完備原子向量g的公式為g=ej(ω0t)1···exp(-jω0(m-1)dsinθ/c)···exp(-jω0(M-1)dsinθ/c)=ej(6π*109t)1exp(-j6π*109*0.05sinθ/c)exp(-j6π*109*0.1sinθ/c)]]>假定本例天線陣列為向上向下360度全方位接收信號，設(shè)定估計(jì)精度為1度，也即在θ的最大取值范圍360度內(nèi)，按1度的間隔分別取值，算得360個(gè)原子向量g，構(gòu)成原子向量庫G如下 本例采集天線陣元上數(shù)據(jù)矢量的具體做法為在每個(gè)陣元上各取256次樣，構(gòu)成數(shù)據(jù)矢量，令其為XX=x1·1x1·2···x1·256x2·1x2·2···x2·256x3·1x3·2···x3·256]]>b、對天線陣列接收的數(shù)據(jù)矢量X在非正交過完備原子庫G中進(jìn)行匹配處理將陣列天線接收數(shù)據(jù)在a步建立的非正交過完備原子庫G中作投影，選擇可以得到投影分量最大的原子向量g作為最佳原子向量；該最佳原子向量的空間到達(dá)角參數(shù)θ，即為空間輻射源到達(dá)角參數(shù)的估計(jì)值。
對本例而言，其具體做法為(1)將以上生成的接收信號數(shù)據(jù)矢量X在以上a步中生成的原子庫G中作匹配，即計(jì)數(shù)據(jù)矢量X與原子庫G中各列原子向量g之間的距離lm＝‖x-g‖，總共獲得360個(gè)距離。
在(1)步中得到的360個(gè)距離中取最小值，第61個(gè)值最小，也即數(shù)據(jù)矢量X在原子庫G中61列原子g上的投影分量最大，61列的原子g即為最佳原子，由于該61列的到達(dá)角θ參數(shù)為60度，該參數(shù)60度即為初次匹配后，估計(jì)得到的來波到達(dá)角。
得到初次匹配的最佳原子的空間位置角參數(shù)θ后；再以該到達(dá)角參數(shù)為中心，按a步的方法在空間位置角參數(shù)θ初次取值間隔的范圍內(nèi)，按間隔0.1至0.5度均勻取值，算得新的原子向量g，得到與空間輻射源達(dá)到角更逼近、空間位置角θ間隔更小的非正交過完備原子向量庫G，進(jìn)行b步的第二次匹配，得到精度為0.1至0.5度的最佳原子到達(dá)角參數(shù)θ；如此循環(huán)，即得到符合精度要求的最佳原子到達(dá)角參數(shù)θ。
具體到本例而言，初次匹配的空間位置角參數(shù)θ為60度.初次的θ取值間隔為1度，在與60度間隔1度、即59度到61度的范圍內(nèi)，按間隔0.1度均勻取值，算得21個(gè)新的原子向量g，構(gòu)造出新的精度達(dá)0.1度的原子向量庫G如下G=e(6π*109t)×]]> 再將接收信號數(shù)據(jù)矢量X在以上的原子庫G中作匹配，即計(jì)算數(shù)據(jù)矢量X與原子庫G中各列原子向量g之間的距離l＝‖x-g‖，總共獲得21個(gè)距離。其中對應(yīng)于第12列的距離最小。即原子庫G中12列原子g上的投影分量最大，12列的原子g即為最佳原子，由于該12列的到達(dá)角θ參數(shù)為60.1度，該參數(shù)60.1度即為二次匹配后，估計(jì)得到的來波到達(dá)角。
二次匹配的空間位置角參數(shù)θ為60.1度。二次的θ取值間隔為0.1度，在與60.1度間隔0.01度、即60.00度到60.20度的范圍內(nèi)，按間隔0.01度均勻取值，算得21個(gè)新的原子向量g，構(gòu)造出新的精度達(dá)0.01度的第三次原子向量庫G。
第三次將接收信號數(shù)據(jù)矢量X在以上的第三次原子庫G中作匹配，即計(jì)算數(shù)據(jù)矢量X與該原子庫G中各列原子向量g之間的距離l＝‖x-g‖，總共獲得21個(gè)距離。其中對應(yīng)于第13列的距離最小。即原子庫G中13列原子g上的投影分量最大，13列的原子g即為最佳原子，由于該13列的到達(dá)角θ參數(shù)為60.12度，該參數(shù)60.12度即為第三次匹配后，估計(jì)得到的來波到達(dá)角。
對本例的估計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，取信噪比從-10dB到30dB變化，并計(jì)算128次來分析估計(jì)性能。模擬結(jié)果如圖1所示。圖1示出，本發(fā)明方法的標(biāo)準(zhǔn)差小于MUSIC和ESPRIT兩種方法，尤其在信噪比小于等于10dB的情況下，效果明顯。如信噪比等于0dB時(shí)，本發(fā)明的方法的估計(jì)誤差僅為現(xiàn)有方法的一半以下。
實(shí)施例二本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，不同的僅僅是本例的M＝10，即由10個(gè)天線陣元組成均勻天線陣列，陣元間距d＝0.04m，接收空間輻射源信號?？臻g輻射源發(fā)出一個(gè)中心頻率f0＝3.5GHz即ω0＝7π*109的信號，其入射到天線陣列上的角為10.43度；也即其到達(dá)天線陣列的到達(dá)角為10.43度。
此時(shí)計(jì)算非正交過完備原子向量g的公式成為g=ej(6π*109t)1exp(-j7π*109*0.04sinθ/c)···exp(-j7π*109*0.36.sinθ/c)]]>假定本例天線陣列位于地面，向上180度方位接收信號或者天線陣位于空中向下180度方位搜索地面的空間輻射源信號。設(shè)定估計(jì)精度為2度，也即在θ的最大取值范圍180度內(nèi)，按2度的間隔分別取值，算得91個(gè)原子向量g，構(gòu)成原子向量庫G如下G=ej(6π*109t)11···11exp(-j7π*109*0.04sin2/c)···exp(-j7π*109*0.05sin180/c)············1exp(-j7π*109*0.36sin2/c)···exp(-j7π*109*0.36sin180/c)]]>本例采集天線陣元上數(shù)據(jù)矢量的具體做法為在每個(gè)陣元上各取128次樣，構(gòu)成數(shù)據(jù)矢量，令其為XX=x1·1x1·2···x1·128x2·1x2·2···x2·128x3·1x3·2···x3·128············x10·1x10·1···x10·128]]>將該接收信號數(shù)據(jù)矢量X在原子庫G中作匹配，即計(jì)算數(shù)據(jù)矢量X與原子庫G中各列原子向量g之間的距離lm＝‖x-g‖，總共獲得91個(gè)距離。在91個(gè)距離中取出最小值為第11個(gè)值，也即數(shù)據(jù)矢量X在原子庫G中11列原子g上的投影分量最大，11列的原子g即為最佳原子，該11列原子g的到達(dá)角θ參數(shù)10度，即為初次匹配后，估計(jì)得到的來波到達(dá)角。在精度要求不高的情況下，本實(shí)施例將該估計(jì)值輸出即結(jié)束。若需得到更高的精度，則可按實(shí)施例中類似的方法，進(jìn)行多次匹配，得到精度達(dá)0.01度的到達(dá)角估計(jì)值10.43度。
圖2示出，本實(shí)施例及ESPRIT和MUSIC方法的估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差隨信噪比的變化關(guān)系?？梢?，本實(shí)施例的方法的標(biāo)準(zhǔn)差明顯小于MUSIC和ESPRIT兩種方法。
顯然，當(dāng)本發(fā)明的陣列不是均勻線性陣列時(shí)，本發(fā)明的方法也可適用。本發(fā)明匹配的次數(shù)理論上可以不受限制，但一般3-4次即可滿足實(shí)際應(yīng)用的精度要求，通常θ的取值間隔第三次為0.01-0.05度，第四次為0.001-0.005度。
權(quán)利要求
1.一種基于非正交分解的空間輻射源到達(dá)角估計(jì)方法，其步驟包括由分布于空間的M個(gè)天線陣元構(gòu)成天線陣列接收空間輻射源信號，采集天線陣元上的數(shù)據(jù)矢量X，然后在數(shù)字處理模塊中對采集的數(shù)據(jù)矢量進(jìn)行處理，估計(jì)出空間輻射源信號的到達(dá)角并輸出，其特征在于所述將天線陣元采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的具體作法為a、構(gòu)造非正交過完備原子向量庫G原子向量g的公式為g=ejω0t1···exp(-jω0((xm+ymtgθ)sinθ-ym/cosθ)/c)···exp(-jω0((xM+yMtgθ)sinθ-yM/cosθ)/c)]]>式中，ω0為空間輻射源信號的載頻，m＝1，2...M為天線陣元的序數(shù)，xm、ym分別為第m個(gè)天線陣元相對m＝1的第一個(gè)天線陣元的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，c為光速，θ為原子向量g的空間到達(dá)角參數(shù)，將θ在空間輻射源到達(dá)角的最大取值范圍內(nèi)等間隔取不同的值，獲得若干原子向量g，即構(gòu)造出非正交過完備原子向量庫G；b、對天線陣列接收的數(shù)據(jù)矢量X在非正交過完備原子庫G中進(jìn)行匹配處理將陣列天線接收數(shù)據(jù)在a步建立的非正交過完備原子庫G中作投影，選擇可以得到投影分量最大的原子向量g作為最佳原子向量；該最佳原子向量的空間到達(dá)角參數(shù)θ，即為空間輻射源到達(dá)角參數(shù)的估計(jì)值。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于非正交分解的空間輻射源到達(dá)角估計(jì)方法，其特征在于所述天線陣列為均勻線型陣列，a步構(gòu)造非正交過完備原子向量G庫時(shí)，原子向量的公式為g=ej(ω0t)1···exp(-jω0(m-1)dsinθ)/c)···exp(-jω0(M-1)dsinθ)/c)]]>式中，d為均勻線型陣列的陣元間距。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種基于非正交分解的空間輻射源到達(dá)角估計(jì)方法，其特征在于所述的a步構(gòu)造非正交過完備原子向量庫G時(shí)，將θ在空間輻射源達(dá)到角的最大取值范圍內(nèi)按1至5度等間隔取不同的值，求得不同的原子向量g，所有原子向量g即構(gòu)成初步的非正交過完備原子向量庫G；再按b步的作法進(jìn)行匹配處理，得到初次匹配的最佳原子的空間到達(dá)角參數(shù)θ；再以該到達(dá)角參數(shù)為中心，按a步的方法在空間到達(dá)角參數(shù)θ初次取值間隔的范圍內(nèi)，按間隔0.1至0.5度均勻取值，求得新的原子向量g，得到與空間輻射源達(dá)到角更逼近、空間到達(dá)角θ間隔更小的非正交過完備原子向量庫G，進(jìn)行b步的第二次匹配，得到精度為0.1至0.5度的最佳原子到達(dá)角參數(shù)θ；如此循環(huán)，即得到符合精度要求的最佳原子到達(dá)角參數(shù)θ。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于非正交分解的空間輻射源到達(dá)角估計(jì)方法，將天線陣元采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的具體作法為根據(jù)空間輻射源信號的載頻，天線陣列的特征，按照原子向量g的公式，構(gòu)造非正交過完備原子向量庫G。再對天線陣列接收的數(shù)據(jù)矢量X在非正交過完備原子庫G中進(jìn)行匹配處理；將陣列天線接收數(shù)據(jù)在非正交過完備原子庫G中作投影，選擇可以得到投影分量最大的原子向量g作為最佳原子向量；該最佳原子向量的空間到達(dá)角參數(shù)θ，即為空間輻射源到達(dá)角的估計(jì)值。該方法估計(jì)精度高，在低信噪比、空間信號源相關(guān)的情況下仍然適用，而且對天線陣列誤差不敏感，其所需計(jì)算量和存儲量小，可用于各種通信、雷達(dá)、聲納設(shè)備上。
文檔編號H01Q21/00GK1881838SQ200610020810
公開日2006年12月20日 申請日期2006年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月15日
發(fā)明者王建英, 尹忠科, 陳磊 申請人:西南交通大學(xué)