專利名稱：利用干涉原理估計相干信號doa的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于通訊技術領域，它特別涉及信號處理中估計電磁波到達方向角(DOA)的技術。
背景技術：
眾所周知，估計電磁波信號波達方向(DOA)是陣列信號處理的一個非常重要的應用，為此曾提出多種算法，其中最有影響的是MUSIC和ESPRIT方法[見文獻①Chien-Chung Yeh，Sun-Chien Chin，Soo-Chan-g Pei.用空間平滑自適應陣抑制干涉效應。IEEE Tran.On Antennas and Propagation Vol.37 No.7 1989851～857.②Yung-Yi Wang，Jiunn-Tsair Chen，用TST-MUSIC法聯(lián)合估計DOA-延時。IEEE Tran.On SignalProcessing，Vol.49，No.4，Apr.2001721～729.③K.AlMidfa，G.V.Tsoulos and A.Nix.對在W-CDMA移動系統(tǒng)中用ESPRIT、TLS-ESPRIT和Unitary-ESPRIT算法估計DOA性能分析.3 G Mo-bile Communication Technologies，Conference Publication No.471IEE2000200～203.④Stocia P，Nehorai A.，MUSIC法、最大似然法和Cramer-Rao界.IEEE Trans.Acoustics.，Speech，Signal Processing，Volume37，Issue5，May 1989Page(s)720～741]，他們同屬特征結構子空間法。
關于MUSIC算法，如圖1所示，圖1中1、2、…、L表示天線陣的陣元，A是入射信號，d為相鄰陣元之間的間距，n1、n2、…、nL是每個陣元引入的加性噪聲，x1、x2、…、xL是每個陣元的輸出信號。
(1)定義矢量X(t)＝[x1x2…xL]T，其中T表示轉置；(2)構造相關矩陣R=1NΣt=1NX(t)XH(t),]]>其中H表示轉置共軛；(3)有對R進行特征值分解，其中有M個大的特征值λ1…λM(對應于信號)，其特征向量構成信號子空間Us，L-M個小的特征值(對應于噪聲)，其特征向量構成噪聲子空間Un；(4)定義噪聲子空間上的正交投影算子為Π=UnUnH;]]>
(5)定義MUSIC“空間譜”P=aH(θ)a(θ)aH(θ)Πa(θ)]]>利用(5)步定義的“空間譜”，與“空間譜”P的所有最大值對應的所有θ值即為波達方向(DOA)，完成對于波達方向的估計。該方法的缺點當?shù)托旁氡群托颖厩闆r下不能分辨相距比較近的信號。這種損失對高相關信號更為嚴重。在相干信號的極限情況，上式不再成立，因此MUSIC法不再適用。
在MUSIC算法中，為了對DOA有比較高的精確估計，需要足夠長的觀測數(shù)據(jù)。MUSIC和ESPRIT算法需要對空間協(xié)方差矩陣進行特征值分解，在信號相干的極限情況下，信號部分的協(xié)方差矩陣有線性相關的列向量，此時求解往往存在某些潛在的數(shù)值困難。雖然提出了多種改進方法，但都存在某些困難，例如為解決空間協(xié)方差矩陣的秩虧缺，采用空間平滑技術，但它又會降低陣列有效孔徑[見文獻Al C.Godga，天線陣在移動通信中的應用第二部分波束成型和波達方向考慮。Proceedings ofthe IEEE，Vol.85 No.8 August 19971195～1245；Stocia P，Sharman K C.用最大似然法估計DOA.Acoustics，Speech，Signal Processing，Volume38，Issue7，July 1990，Page(s)1132～1143]。極大似然估計(MLE)法和貝葉斯類法在目標源是相干源時仍然有效[見文獻呂鐵軍，王河，肖先賜.利用改進遺傳算法的DOA估計，電波科學學報[J]，2000，12，第15卷，第4期429-433.徐樸，黃建國.波達方向估計的貝葉斯高分辨方法，電波科學學報[J]，2001，6，第16卷，第2期150-152]，但MLE法和貝葉斯類法都是從采樣數(shù)據(jù)的概率密度函數(shù)得到其似然函數(shù)，本質(zhì)上他們是非線性的，因此DOA估計是一個復雜耗時的過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述算法需要大量的觀測數(shù)據(jù)，及計算費時費力和所存在的數(shù)值求解的困難，提供一種利用干涉原理估計相干信號DOA的方法。
本發(fā)明提供的一種利用干涉原理估計相干信號DOA的方法，其特征是采用下面的步驟第一步 術語定義對于由陣元間距均為1/4波長的3個陣元組成的天線陣，定義A1、A2表示入射信號，θ、分別表示入射信號1、2的入射角，1、2、3分別表示天線陣的陣元，d是相鄰陣元間距(d＝1/4波長)，n1、n2、n3分別表示陣元1、2、3通道引入的加性噪聲，x1、x2、x3分別表示陣元1、2、3的輸出信號，y12是陣元1和陣元2的交叉輸出功率，y23是陣元2和陣元3的交叉輸出功率；選擇陣元1為參考點，設入射信號方向為θ，陣元間距為d，1’為入射信號1的波前，則當平面波s1e-jωt由1’傳到陣元2時，其中s1表示入射信號A1幅值，ω是入射信號A1角頻率，陣元2信號滯后，滯后時間為τ1＝dsinθ/c(1)其中c為光速；設第二個信號幅值為s2，入射角為，則在陣元2，相對于參考點滯后時間τ2＝dsin/c(2)為方便起見，以后稱入射信號1為信號，并引入符號α＝ωτ1(3)而稱入射信號2為干擾信號，引入符號β＝ωτ2(4)；第二步估計信號和干擾信號的功率，即信號幅值，定義變量h＝2s1(s1+s2) (5)f＝2s2(s1+s2)第三步根據(jù)(6)式求陣元1和陣元2的交叉輸出功率p12(τ)=(x1+x2)(x1+x2)*]]>=p1+p2+hcos(ωτ-α)---(6)]]>+p12(n)+fcos(ωτ-β)]]>其中*表示共軛，p1＝(s1+s2)2p2=s12+s22+2s1s2cos(α-β)]]>p12(n)=2n1(s1cos(-α)+s2cos(-β))---(7)]]>+2(s1+s2+n1)n2cos]]>p1、p1為陣元1、2的功率，是已知量；第四步對第三步的結果進行積分An=1π∫-ππp12(τ)cos(ωτ)d(ωτ)]]>Bn=1π∫-ππp12(τ)sin(ωτ)d(ωτ)]]>
An＝hcosα+fcosβ+2s1n1cosα+2s2n1cosβ+2(s1+s2+n1)n2(8)Bn＝hsinα+fsinβ+2s1n1sinα+2s2n1sinβ第五步為減小噪聲的影響，對第四步結果求平均，因為噪聲是平均值為零，則可以得到入射信號的平均值A＝E(An)＝hcosα+fcosβ (9)B＝E(Bn)＝hsinα+fsinβ其中的E表示求平均；第六步聯(lián)解s1+s2=p12p1s12+2p2s22=A2+B2-2p1p2]]>就可以得到s1，s2的值；第七步將第六步求得的s1，s2值帶入(5)式，求出h、f，然后求解(9)式；由于三角函數(shù)的周期性，(9)式將有兩組解α1、β1和α2、β2；第八步選擇正確解首先構造陣元2、3的判斷函數(shù)p23=p2+p3+p23(1)+p23(2)]]>+2s1n2cos2α+2s1n3cosα+2s2n2cos2β---(10)]]>+2s2n3cosβ+2n2n3]]>其中p23(1)=2s1s2cos(α-2β)+2s1s2cos(β-2α)]]>p23(2)=2s12cosα+2s22cosβ]]>p3=x3x3*=s12+s22+2s1s2cos2(α-β);]]>然后將所得第七步的到的兩組解帶入判斷函數(shù)的表達式(10)計算，選擇與2、3陣元的輸出功率最接近的計算結果所對應的一組α、β，便是正確解；第九步將正確解α、β帶入(3)、(4)式計算τ1和τ2；第十步把τ1和τ2帶入(1)、(2)式，求出θ、；即完成DOA的估計。
本發(fā)明選擇陣元1為參考點(如圖2所示)，，當入射信號由1’傳到陣元2時，陣元2的信號滯后，因此陣元1和陣元2信號不同相，如果把兩者直接相加，所得信號幅度將不是最大。本發(fā)明是通過把陣元1的信號進行適當?shù)臅r延，獲得兩路信號的最大值，就可以求得這個時延τ；因為信號頻率是已知的，這樣就能求出波達方向DOA，完成DOA的估計。
本發(fā)明的實質(zhì)是利用干涉原理，即“同相相加，反相相減”，把參考陣元1信號進行適當延時，如圖2所示，然后與其它陣元信號相加，求出天線陣的輸出功率，而輸出功率可以表示為由時延作自變量的三角函數(shù)的線性組合，組合系數(shù)恰由入射信號的方向時延函數(shù)表示，因此估計信號DOA就轉變?yōu)榇_定組合系數(shù)。由于這種方法不用對空間協(xié)方差矩陣進行分解，因此不存在像MUSIC算法在相干源時有數(shù)值困難的問題，同時其求解過程也比MLE法和貝葉斯類法容易。
本發(fā)明提供的一種利用干涉原理估計相干信號DOA的方法，可以應用于通訊及雷達等領域中需要估DOA的地方，由于其計算量很小，在移動通信領域具有很大的應用價值。


圖1、是MUSIC算法的原理示意圖其中，S表示入射信號，1、2、…、L表示天線陣的陣元，d為相鄰陣元之間的間距，n1、n2、…、nL是每個陣元引入的加性噪聲，x1、x2、…、xL是每個陣元的輸出信號。
圖2是本發(fā)明的原理示意圖其中θ、是信號的入射角，1、2、3為天線陣的陣元，1’為入射信號1的波前，n1、n2、n3是每個陣元通道引入的加性噪聲，d是陣元間距，τ是可調(diào)的延時單元，X1、X2和X3是相應陣元的輸出，y12是陣元1和陣元2的交叉輸出功率，y23是陣元2和陣元3的交叉輸出功率。
圖3和圖4是本發(fā)明的仿真結果其中SNR表示信噪比，SIR是信號干擾比，INR是干擾噪聲比，水平直線和斜角直線表示理想的波達方向角，虛線和點線表示估計結果。
具體實施例方式
利用本發(fā)明提供的一種利用干涉原理估計相干信號DOA的方法，對由相鄰陣元間距為1/4波長的3陣元天線陣進行仿真，仿真結果如圖3、4所示。在圖3、4中，SNR表示信噪比，SIR是信號干擾比，INR是干擾噪聲比。水平直線和斜角直線表示理想的波達方向角。圖3仿真的是當信噪比為SNR＝5dB，信干比SIR＝-15dB，干擾噪聲比INR＝20dB，而干擾信號從-70°輸入時，仿真的結果；圖4仿真的是當信噪比為SNR＝20dB，信干比SIR＝-3.5dB，干擾噪聲比INR＝23.5dB，干擾信號從30°輸入時的仿真結果。從仿真的結果來看，估計值(用虛線和點線表示)和理想值重合的很好。本發(fā)明的最主要的優(yōu)點是計算量很小，即使在小樣本，低信噪比(SNR)時，也能很好地估計相干信號DOA，因此特別適用于實時環(huán)境。
綜上所述，對3個陣元且陣元間距為1/4波長的天線陣進行仿真表明當每個陣元輸入50個帶噪聲的數(shù)據(jù)時，本方法能較好地計算出信號DOA。并且當信噪比為5dB時，仍能較好地求出DOA。
權利要求
1.一種利用干涉原理估計相干信號DOA的方法，其特征是采用下面的步驟第一步 術語定義對于由陣元間距均為1/4波長的3個陣元組成的天線陣，定義A1、A2表示入射信號，θ、分別表示入射信號1、2的入射角，1、2、3分別表示天線陣的陣元，d是相鄰陣元間距(d＝1/4波長)，n1、n2、n3分別表示陣元1、2、3通道引入的加性噪聲，x1、x2、x3分別表示陣元1、2、3的輸出信號，y12是陣元1和陣元2的交叉輸出功率，y23是陣元2和陣元3的交叉輸出功率；選擇陣元1為參考點，設入射信號方向為θ，陣元間距為d，1’為入射信號1的波前，則當平面波s1e-jωt由1’傳到陣元2時，其中s1表示入射信號A1幅值，ω是入射信號A1角頻率，陣元2信號滯后，滯后時間為τ1＝dsinθ/c(1)其中c為光速；設第二個信號幅值為s2，入射角為，則在陣元2，相對于參考點滯后時間τ2＝dsin/c(2)為方便起見，以后稱入射信號1為信號，并引入符號α＝ωτ1(3)而稱入射信號2為干擾信號，引入符號β＝ωτ2(4)；第二步估計信號和干擾信號的功率，即信號幅值，定義變量h=2s1(s1+s2)f=2s2(s1+s2)----(5)]]>第三步根據(jù)(6)式求陣元1和陣元2的交叉輸出功率p12(τ)=(x1+x2)(x1+x2)*]]>=p1+p2+hcos(ωτ-α)----(6)]]>+p12(n)+fcos(ωτ-β)]]>其中*表示共軛，p1=(s1+s2)2]]>p2=s12+s22+2s1s2cos(α-β)]]>p12(n)=2n1(s1cos(-α)+s2cos(-β))---(7)]]>+2(s1+s2+n1)n2cos]]>p1、p1為陣元1、2的功率，是已知量；第四步對第三步的結果進行積分An=1π∫-ππp12(τ)cos(ωτ)d(ωτ)]]>Bn=1π∫-ππp12(τ)sin(ωτ)d(ωτ)]]>An＝hcosα+fcosβ+2s1n1cosα+2s2n1cosβ+2(s1+s2+n1)n2(8)Bn＝hsinα+fsinβ+2s1n1sinα+2s2n1sinβ第五步為減小噪聲的影響，對第四步結果求平均，因為噪聲是平均值為零，則可以得到入射信號的平均值A＝E(An)＝hcosα+fcosβ(9)B＝E(Bn)＝hsinα+fsinβ其中的E表示求平均；第六步聯(lián)解s1+s2=p12p1s12+2p2s22=A2+B2-2p1p2]]>就可以得到s1，s2的值；第七步將第六步求得的s1，s2值帶入(5)式，求出h、f，然后求解(9)式；由于三角函數(shù)的周期性，(9)式將有兩組解α1、β1和α2、β2；第八步選擇正確解首先構造陣元2、3的判斷函數(shù)p23=p2+p3+p23(1)+p23(2)]]>+2s1n2cos2α+2s1n3cosα+2s2n2cos2β----(10)]]>+2s2n3cosβ+2n2n3]]>其中p23(1)=2s1s2cos(α-2β)+2s1s2cos(β-2α)]]>p23(2)=2s12cosα+2s22cosβ]]>p3=x3*x3=s12+s22+2s1s2cos2(α-β);]]>然后將所得第七步的到的兩組解帶入判斷函數(shù)的表達式(10)計算，選擇與2、3陣元的輸出功率最接近的計算結果所對應的一組α、β，便是正確解；第九步將正確解α、β帶入(3)、(4)式計算τ1和τ2；第十步把τ1和τ2帶入(1)、(2)式，求出θ、；即完成DOA的估計。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種估計相干信號波達方向(DOA)的算法，它是利用干涉原理，即“同相相加，反相相減”，把參考陣元(1)信號進行適當延時然后與其它陣元信號相加，求出天線陣的輸出功率，而輸出功率可以表示為由時延作自變量的三角函數(shù)的線性組合，組合系數(shù)恰由入射信號的方向時延函數(shù)表示，因此估計信號DOA就轉變?yōu)榇_定組合系數(shù)。本發(fā)明的方法可以應用于通訊及雷達等領域中需要估計DOA的地方，由于其計算量很小，在移動通信領域具有很大的應用價值。
文檔編號H04B7/02GK1674462SQ20041002211
公開日2005年9月28日 申請日期2004年3月25日 優(yōu)先權日2004年3月25日
發(fā)明者何子遠, 王自力, 龔耀寰 申請人:電子科技大學