專利名稱：適用于非平穩(wěn)噪聲背景下相干信源的測向方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達、通信領(lǐng)域，涉及該領(lǐng)域中的一種空間譜估計信號處理方法，具體地說，本發(fā)明涉及一種適用于非平穩(wěn)噪聲背景下對相干信源的測向方法。

背景技術(shù)：
空間譜估計被廣泛應(yīng)用于雷達、聲納、通信、地震勘探等領(lǐng)域，是提高參數(shù)估計性能的一種關(guān)鍵技術(shù)。但常規(guī)空間譜估計算法(如MUSIC、ESPRIT、ML、WSF等)大都假定陣列噪聲為高斯白噪聲或平穩(wěn)相關(guān)的色噪聲。然而，實際環(huán)境中，噪聲往往是未知的或時變的，未知統(tǒng)計特性的非平穩(wěn)噪聲(噪聲協(xié)方差矩陣為未知的不等元素的對角陣)卻經(jīng)常出現(xiàn)。例如，陣元各通道增益的不一致性及各通道內(nèi)部噪聲的不一致性都會引起各通道輸出噪聲功率不相同。另外，對于寬帶信號而言，由于有色噪聲的影響，如宇宙噪聲或大氣噪聲，也會引起噪聲空間和時間的不平穩(wěn)。由于非平穩(wěn)噪聲的存在，陣列協(xié)方差矩陣特征分解后的噪聲特征值擾動較大，這將對噪聲子空間和信號子空間的結(jié)構(gòu)有所影響，使得由信號方向矢量構(gòu)成的子空間與協(xié)方差矩陣特征分解后其最小特征值對應(yīng)的特征矢量構(gòu)成的子空間不完全正交，從而造成較大的空間譜估計誤差。因此，非平穩(wěn)噪聲背景下的波達方向估計已受到廣泛重視。


發(fā)明內(nèi)容
為了解決非平穩(wěn)噪聲背景下相干信源對空間譜估計的影響，本發(fā)明的目的是提供一種適用于非平穩(wěn)噪聲背景下相干信源的測向方法。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種適用于非平穩(wěn)噪聲背景下相干信源的測向方法，該方法包括以下步驟 (1)、采集各通道接收的數(shù)據(jù)，并存儲到系統(tǒng)內(nèi)存中； (2)、對各通道接收的數(shù)據(jù)作自適應(yīng)均衡處理； (3)、將經(jīng)過自適應(yīng)均衡處理后的數(shù)據(jù)形成陣列協(xié)方差矩陣，計算公式如下 式中，矢量樣本Vi(i＝1，2，…，L)表示各陣元同一時刻的接收數(shù)據(jù)矢量； (4)、利用前向空間平滑技術(shù)對陣列協(xié)方差矩陣進行平滑預(yù)處理，構(gòu)造前向空間平滑協(xié)方差矩陣Rf； (5)、利用前后向空間平滑技術(shù)對陣列協(xié)方差矩陣進行平滑預(yù)處理，構(gòu)造前后向空間平滑協(xié)方差矩陣Rfb； (6)、根據(jù)前后向空間平滑協(xié)方差矩陣及其共軛矩陣構(gòu)造廣義協(xié)方差矩陣； (7)、對廣義協(xié)方差矩陣RGCD利用子空間類算法進行譜估計； (8)、識別鏡像偽峰和真實的DOA，得到信源的真實方向； 利用下式識別鏡像偽峰 [(Am，Am*)H(Am，Am*)]-1(Am，Am*)HRGCD(Am，Am*)[(Am，Am*)H(Am，Am*)]-1 若估計結(jié)果正確，則上式矩陣的前M個對角元素為正，后M個對角元素為負。若估計結(jié)果不正確，則矩陣對角元素符號中正值對應(yīng)的即是真實的DOA； DOA即Direction of Arrival，也就是信源入射方向。鏡像偽峰對應(yīng)假的信源入射方向，分辨出假的入射方向(假的譜峰，也即鏡像偽峰)，剩下的就是真實的DOA即信源的真實入射方向； (9)、對上面估計出的真實角度進行輸出即可。
所述步驟(4)構(gòu)建前向空間平滑協(xié)方差矩陣Rf的方法是利用均勻線陣(ULA)的平移不變性，將陣列劃分為相互重疊的L個子陣，對應(yīng)每個子陣的陣元數(shù)為m＝N-L+1；分別計算L個子陣的自協(xié)方差矩陣，然后進行簡單的算術(shù)平均，從而構(gòu)成一個等效的m階前向空間平滑協(xié)方差矩陣Rf 其中，F(xiàn)k＝
。
所述步驟(5)利用前后向空間平滑技術(shù)對陣列協(xié)方差矩陣進行平滑預(yù)處理，構(gòu)造前后向空間平滑協(xié)方差矩陣Rfb的方法是利用前后向空間平滑算法(FBSS)在陣列前向空間平滑基礎(chǔ)上，利用均勻線陣的旋轉(zhuǎn)不變性，對陣列同時進行前后向平滑，形成前后向空間平滑協(xié)方差矩陣Rfb 其中，上標*表示矩陣共軛，矩陣J為N階置換矩陣。
所述步驟(6)根據(jù)前后向空間平滑協(xié)方差矩陣及其共軛矩陣構(gòu)造廣義協(xié)方差矩陣，其方法是對協(xié)方差矩陣的前后向空間平滑矩陣及其共軛矩陣進行差分運算，構(gòu)造一個可完全對消空間非平穩(wěn)噪聲的廣義協(xié)方差矩陣RGCD 由于本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，所以本發(fā)明不僅解決了常規(guī)方法中多次測量數(shù)據(jù)時需要大量人力、設(shè)備的問題，而且解決了參數(shù)類算法運算量大的問題。本發(fā)明具有穩(wěn)鍵性，工程實現(xiàn)簡單方便，能同時兼顧非平穩(wěn)噪聲與相干信源背景下的信源入射角的估計。



圖1為本發(fā)明處理過程流程圖； 圖2為本發(fā)明利用前后向空間平滑技術(shù)對陣列協(xié)方差矩陣進行平滑預(yù)處理的示意圖。

具體實施例方式 本發(fā)明利用前后向空間平滑技術(shù)先對陣列協(xié)方差矩陣進行平滑預(yù)處理，然后構(gòu)造廣義協(xié)方差矩陣，根據(jù)子空間原理，對廣義協(xié)方差矩陣進行譜估計，識別出鏡像偽峰，從而得到真實DOA(DOA即Direction of Arrival，也就是信源入射方向)。本發(fā)明實現(xiàn)非平衡噪聲背景下相干信源的測向原理是 (1)、構(gòu)建前向空間平滑協(xié)方差矩陣Rf。
利用均勻線陣(ULA)的平移不變性，將陣列劃分為相互重疊的L個子陣，對應(yīng)每個子陣的陣元數(shù)為m＝N-L+1；分別計算L個子陣的自協(xié)方差矩陣，然后進行簡單的算術(shù)平均，從而形成一個m階的前向空間平滑協(xié)方差矩陣Rf 其中，F(xiàn)k＝
。
(2)、利用前后向空間平滑技術(shù)對陣列協(xié)方差矩陣進行平滑預(yù)處理，構(gòu)造前后向空間平滑協(xié)方差矩陣Rfb。
利用前后向空間平滑算法(FBSS)在陣列前向空間平滑的基礎(chǔ)上，又利用均勻線陣的旋轉(zhuǎn)不變性，對陣列同時進行前后向平滑，形成如下式的m階前后向空間平滑協(xié)方差矩陣Rfb 其中，上標*表示矩陣共軛，矩陣J為N階置換矩陣。
(3)、根據(jù)前后向空間平滑協(xié)方差矩陣及其共軛矩陣構(gòu)造一個廣義協(xié)方差矩陣。由前后向空間平滑算法(FBSS)協(xié)方差矩陣的表達式(2)，可得其共軛矩陣表達式 對陣列協(xié)方差矩陣的前后向空間平滑矩陣及其共軛矩陣進行差分運算，構(gòu)造廣義協(xié)方差矩陣 令ΔR＝R+JR*J-R*JRJ，則由于矩陣為實對角矩陣，故噪聲協(xié)方差矩陣相互抵消，從而ΔR中不含噪聲項，且ΔR為純虛數(shù)矩陣。
(4)、對廣義協(xié)方差矩陣采用子空間類算法進行譜估計。
由式(4)可以看出，GCD算法將ΔR矩陣作為一個新的協(xié)方差矩陣進行平滑預(yù)處理，可以對平滑處理后的協(xié)方差矩陣RGCD采用子空間類算法進行譜估計。
若函數(shù)(5)在θi處產(chǎn)生譜峰，則將在-θi處產(chǎn)生相應(yīng)的鏡像偽峰，因此函數(shù)會在空間2M個方位處出現(xiàn)譜峰(其中有M個鏡像偽峰)，需要正確識別。
(5)、識別鏡像偽峰和真實的DOA。
我們從2M個譜峰中選取M個作為初始估計，從而構(gòu)造m×2M的陣列方向矩陣(Am，Am*)，然后計算下式 [(Am，Am*)H(Am，Am*)]-1(Am，Am*)HRGCD(Am，Am*)[(Am，Am*)H(Am，Am*)]-1(6) 若估計結(jié)果正確，則式(6)矩陣的前M個對角元素為正，后M個對角元素為負。若估計結(jié)果不正確，則從矩陣對角元素的符號中可以得到真實的DOA(正值對應(yīng)真實DOA)。
上述的過程說明了廣義協(xié)方差差分算法利用矩陣差分運算對消空間非平穩(wěn)噪聲，同時，本發(fā)明利用空間平滑技術(shù)，可兼顧相干及非相干信源的分辨，這就是本發(fā)明的原理所在。
下面結(jié)合附圖進一步詳細說明本發(fā)明在非平衡噪聲背景下對相干信源的測向方法。
圖1為本發(fā)明處理過程流程圖，圖2為本發(fā)明利用前后向空間平滑技術(shù)對陣列協(xié)方差矩陣進行平滑預(yù)處理的示意圖。
如圖1所示，本發(fā)明公開的在非平衡噪聲背景下對相干信源的測向方法包括以下步驟 (1)、采集各通道接收的數(shù)據(jù)，并存儲到系統(tǒng)內(nèi)存中。
(2)、對各通道接收的數(shù)據(jù)作自適應(yīng)均衡處理。
對各通道接收的數(shù)據(jù)作自適應(yīng)均衡處理，目的是為了校正各通道的與方位無關(guān)的幅相誤差及頻帶不一致問題。這里采用的是常規(guī)自適應(yīng)均衡技術(shù)——即32級的FIR濾波器。
(3)、將經(jīng)過自適應(yīng)均衡處理后的數(shù)據(jù)形成陣列協(xié)方差矩陣，計算公式如下 式中，矢量樣本Vi(i＝1，2，…，L)表示各陣元同一時刻的接收數(shù)據(jù)矢量。
(4)、構(gòu)建陣列前向空間平滑協(xié)方差矩陣Rf。
(5)、利用前后向空間平滑技術(shù)對陣列協(xié)方差矩陣進行平滑預(yù)處理，構(gòu)造前后向空間平滑協(xié)方差矩陣Rfb。
(6)、根據(jù)前后向空間平滑協(xié)方差矩陣及其共軛矩陣構(gòu)造廣義協(xié)方差矩陣。
(7)、對廣義協(xié)方差矩陣RGCD利用子空間類算法進行譜估計。
(8)、識別鏡像偽峰和真實的DOA。
利用下式識別鏡像偽峰 [(Am，Am*)H(Am，Am*)]-1(Am，Am*)HRGCD(Am，Am*)[(Am，Am*)H(Am，Am*)]-1 若估計結(jié)果正確，則上式矩陣的前M個對角元素為正，后M個對角元素為負。若估計結(jié)果不正確，則矩陣對角元素符號中正值對應(yīng)的即是真實的DOA。
DOA即Direction of Arrival，也就是信源入射方向。鏡像偽峰對應(yīng)假的信源入射方向，分辨出假的入射方向(假的譜峰，也即鏡像偽峰)，剩下的就是真實的DOA(信源的真實入射方向)。
(9)、對上面估計出的真實角度進行輸出即可。
本發(fā)明的目的還可以通過以下方法實現(xiàn) (1)假定噪聲長期平穩(wěn)，信號短期平穩(wěn)，利用陣列旋轉(zhuǎn)或平移構(gòu)造兩種數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，再利用協(xié)方差矩陣差分算法克服噪聲的影響。
(2)利用預(yù)測的方法，估計協(xié)方差矩陣主對角線上的項，根據(jù)主對角線上的項可得出噪聲協(xié)方差矩陣，然后利用估計的噪聲協(xié)方差矩陣對陣列數(shù)據(jù)相關(guān)矩陣進行預(yù)白化處理，但這需要入射角的先驗知識或降低陣列孔徑利用率。
(3)利用信號的時域特性，由于高斯信號的高階累積量為零，可利用高階累積量抑制非高斯信號中的高斯噪聲，或在特定情況下，利用信號的循環(huán)平穩(wěn)性抑制噪聲，但這類算法的運算量較大 本發(fā)明相比背景技術(shù)有如下優(yōu)點 (1)本發(fā)明是通過對原始協(xié)方差矩陣的變換得到廣義協(xié)方差矩陣，所以，本發(fā)明無需原始協(xié)方差矩陣的多次估計，可降低算法實現(xiàn)的復(fù)雜度。
(2)利用矩陣差分運算對消空間非平穩(wěn)噪聲，適用于更廣泛的未知噪聲背景及低信噪比環(huán)境。
(3)本發(fā)明采用了空間平滑技術(shù)，兼顧相干及非相干信源的分辨。
(4)本發(fā)明利用了協(xié)方差矩陣為純虛數(shù)矩陣的特點，減小了DOA估計的運算量，且采用虛值Root-MUSIC算法還進一步減小DOA估計的運算量。
權(quán)利要求
1.一種適用于非平穩(wěn)噪聲背景下相干信源的測向方法，其特征在于該方法包括以下步驟
(1)、采集各通道接收的數(shù)據(jù)，并存儲到系統(tǒng)內(nèi)存中；
(2)、對各通道接收的數(shù)據(jù)作自適應(yīng)均衡處理；
(3)、將經(jīng)過自適應(yīng)均衡處理后的數(shù)據(jù)形成陣列協(xié)方差矩陣，計算公式如下
式中，矢量樣本Vi(i＝1，2，…，L)表示各陣元同一時刻的接收數(shù)據(jù)矢量；
(4)、利用前向空間平滑技術(shù)對陣列協(xié)方差矩陣進行平滑預(yù)處理，構(gòu)造前向空間平滑協(xié)方差矩陣Rf；
(5)、利用前后向空間平滑技術(shù)對陣列協(xié)方差矩陣進行平滑預(yù)處理，構(gòu)造前后向空間平滑協(xié)方差矩陣Rfb；
(6)、根據(jù)前后向空間平滑協(xié)方差矩陣及其共軛矩陣構(gòu)造廣義協(xié)方差矩陣；
(7)、對廣義協(xié)方差矩陣RGCD利用子空間類算法進行譜估計；
(8)、識別鏡像偽峰和真實的DOA，得到信源的真實方向；
利用下式識別鏡像偽峰
[(Am，Am*)H(Am，Am*)]-1(Am，Am*)HRGCD(Am，Am*)[(Am，Am*)H(Am，Am*)]-1
若估計結(jié)果正確，則上式矩陣的前M個對角元素為正，后M個對角元素為負。若估計結(jié)果不正確，則矩陣對角元素符號中正值對應(yīng)的即是真實的DOA；
DOA即Direction of Arrival，也就是信源入射方向。鏡像偽峰對應(yīng)假的信源入射方向，分辨出假的入射方向(假的譜峰，也即鏡像偽峰)，剩下的就是真實的DOA即信源的真實入射方向；
(9)、對上面估計出的真實角度進行輸出即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于非平穩(wěn)噪聲背景下相干信源的測向方法，其特征在于所述步驟(4)構(gòu)建前向空間平滑協(xié)方差矩陣Rf的方法是利用均勻線陣(ULA)的平移不變性，將陣列劃分為相互重疊的L個子陣，對應(yīng)每個子陣的陣元數(shù)為m＝N-L+1；分別計算L個子陣的自協(xié)方差矩陣，然后進行簡單的算術(shù)平均，從而構(gòu)成一個等效的m階前向空間平滑協(xié)方差矩陣Rf
其中，F(xiàn)k＝
。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于非平穩(wěn)噪聲背景下相干信源的測向方法，其特征在于所述步驟(5)利用前后向空間平滑技術(shù)對陣列協(xié)方差矩陣進行平滑預(yù)處理，構(gòu)造前后向空間平滑協(xié)方差矩陣Rfb的方法是利用前后向空間平滑算法(FBSS)在陣列前向空間平滑基礎(chǔ)上，利用均勻線陣的旋轉(zhuǎn)不變性，對陣列同時進行前后向平滑，形成前后向空間平滑協(xié)方差矩陣Rfb
其中，上標*表示矩陣共軛，矩陣J為N階置換矩陣。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于非平穩(wěn)噪聲背景下相干信源的測向方法，其特征在于所述步驟(6)根據(jù)前后向空間平滑協(xié)方差矩陣及其共軛矩陣構(gòu)造廣義協(xié)方差矩陣，其方法是對協(xié)方差矩陣的前后向空間平滑矩陣及其共軛矩陣進行差分運算，構(gòu)造一個可完全對消空間非平穩(wěn)噪聲的廣義協(xié)方差矩陣RGCD
全文摘要
一種適用于非平穩(wěn)噪聲背景下相干信源的測向方法，即采集各通道接收的數(shù)據(jù)，并存儲到系統(tǒng)內(nèi)存中；對各通道接收的數(shù)據(jù)作自適應(yīng)均衡處理；將經(jīng)過自適應(yīng)均衡處理后的數(shù)據(jù)形成陣列協(xié)方差矩陣；利用前向空間平滑技術(shù)對陣列協(xié)方差矩陣進行平滑預(yù)處理，構(gòu)建前向空間平滑協(xié)方差矩陣；利用前后向空間平滑技術(shù)對陣列協(xié)方差矩陣進行平滑預(yù)處理，構(gòu)造前后向空間平滑協(xié)方差矩陣；根據(jù)前后向空間平滑協(xié)方差矩陣及其共軛矩陣構(gòu)造廣義協(xié)方差矩陣；對廣義協(xié)方差矩陣利用子空間類算法進行譜估計；識別出鏡像偽峰和信源的真實入射方向；輸出上面估計出的信源的真實方向。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于雷達、通信等領(lǐng)域內(nèi)非平穩(wěn)噪聲背景下相干及非相干信源的高精度定位。
文檔編號H04B7/08GK101150345SQ20061011317
公開日2008年3月26日 申請日期2006年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月18日
發(fā)明者齊崇英, 陳志杰, 張永順, 穎 韓 申請人:中國人民解放軍空軍裝備研究院雷達與電子對抗研究所, 中國人民解放軍空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈學(xué)院