專利名稱：一種少陣元近場(chǎng)寬帶信號(hào)源參數(shù)估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明應(yīng)用于陣列信號(hào)處理領(lǐng)域的近場(chǎng)寬帶目標(biāo)定位技術(shù)。
背景技術(shù)：
基于傳感器陣列的輻射源定位是陣列信號(hào)處理的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容，它在雷達(dá)，聲納，無(wú)線通信，地震學(xué)以及射電天文學(xué)等眾多領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。通常情況下，當(dāng)信源位置與接收陣列距離較遠(yuǎn)時(shí)，在接收端可以將目標(biāo)發(fā)射信號(hào)看成是一個(gè)平面波，目標(biāo)的位置可以通過(guò)信源的方位角(DOA)來(lái)確定。傳統(tǒng)的高分辨DOA估計(jì)方法均是基于遠(yuǎn)場(chǎng)模型下得到的。然而，當(dāng)信源距離接收陣列較近即信源位于近場(chǎng)條件范圍時(shí)，平面波的假設(shè)不再成立，信號(hào)以球面波的形式通過(guò)陣列，此時(shí)需同時(shí)估計(jì)出信源的DOA和距離參數(shù)才能實(shí)現(xiàn)定位，基于遠(yuǎn)場(chǎng)假設(shè)條件下得到的方法不再有效。因此近年來(lái)，對(duì)近場(chǎng)源參數(shù)估計(jì)的研究 逐漸引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，成為陣列信號(hào)處理領(lǐng)域中一個(gè)新的熱點(diǎn)。在過(guò)去十幾年來(lái)，MUSIC (Multiple Signal Classif ication多信號(hào)分類)算法,極大似然(MLE), 二階統(tǒng)計(jì)量和加權(quán)線性預(yù)測(cè)等方法都被用來(lái)對(duì)近場(chǎng)窄帶目標(biāo)定位。隨著現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，寬帶信號(hào)在陣列信號(hào)處理系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。目前為止，已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)寬帶信號(hào)的DOA估計(jì)進(jìn)行了研究，并取得了顯著的研究成果。近年來(lái)，各國(guó)相關(guān)學(xué)者針對(duì)近場(chǎng)寬帶信源定位問(wèn)題也相繼提出了一系列的定位方法，如最大似然法，二維MUSIC算法，路徑跟蹤算法，高階ESPRIT算法等。這些算法或多或少存在著一些不足，例如最大似然方法雖然具有最好的估計(jì)性能，但是計(jì)算量很大，限制了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。二維MUSIC算法中的ISSM算法在低信噪比條件下估計(jì)性能較差，且計(jì)算量大，不能估計(jì)相干信號(hào)源，CSSM類算法通過(guò)應(yīng)用聚焦矩陣，對(duì)不同頻率點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚焦，得到單一頻率點(diǎn)(參考頻點(diǎn))的數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出信號(hào)協(xié)方差矩陣，再應(yīng)用傳統(tǒng)窄帶子空間方法計(jì)算出方位角，但該算法需要對(duì)信源位置進(jìn)行預(yù)估，且最終定位結(jié)果對(duì)預(yù)估值敏感。高階ESPRIT算法計(jì)算量較大，并且往往存在參數(shù)配對(duì)或孔徑損失等問(wèn)題。上述的近場(chǎng)寬帶信源定位方法都是建立在陣元個(gè)數(shù)個(gè)數(shù)大于或等于信號(hào)源個(gè)數(shù)條件下的。比如，MUSIC算法通過(guò)將接收信號(hào)變換到頻域，在估計(jì)中心頻點(diǎn)，并將寬帶信號(hào)聚焦到中心頻點(diǎn)上(以形成窄帶)，再通過(guò)接收向量得到一個(gè)自相關(guān)矩陣，通過(guò)該自相關(guān)矩陣得到信號(hào)子空間與噪聲子空間從而計(jì)算得到信源的方位角DOA。MUSIC算法構(gòu)造的自相關(guān)矩陣的秩需要等于信號(hào)源的個(gè)數(shù)，這樣，就需要陣元個(gè)數(shù)個(gè)數(shù)大于或等于信號(hào)源個(gè)數(shù)。顯然要求陣元個(gè)數(shù)個(gè)數(shù)大于或等于信號(hào)源個(gè)數(shù)無(wú)法適合于用戶日益增長(zhǎng)的移動(dòng)通信等環(huán)境中，一般來(lái)講此時(shí)的用戶是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陣元個(gè)數(shù)的，而且從物理?xiàng)l件或者經(jīng)濟(jì)成本考慮，陣元數(shù)通常也是較有限的。然而當(dāng)信源數(shù)大于陣元數(shù)時(shí)，陣列流型矩陣各列之間不再線性獨(dú)立，信源協(xié)方差矩陣會(huì)發(fā)生秩虧缺，則此時(shí)陣列信號(hào)協(xié)方差矩陣的大特征值數(shù)目小于信源數(shù)，不能構(gòu)成信號(hào)子空間，傳統(tǒng)的子空間方法無(wú)法再使用
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種利用較少陣元對(duì)較多的近場(chǎng)寬帶信號(hào)源的DOA和距離參數(shù)進(jìn)行估計(jì)的方法。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所提供的技術(shù)方案是，接收陣列中陣元的數(shù)量至少為5個(gè)，接收陣列中心的陣元設(shè)為參考陣元，包括以下步驟(一)對(duì)陣列中各陣元的接收信號(hào)Xp(t)進(jìn)行離散傅里葉變換得到近場(chǎng)寬帶信號(hào)源在頻率域的陣列信號(hào)模型Xp (f)，之后進(jìn)入步驟(二)和步驟(五)；
權(quán)利要求
1.一種少陣元近場(chǎng)寬帶信號(hào)源參數(shù)估計(jì)方法，其特征在于，接收陣列中陣元的數(shù)量至少為5個(gè)，接收陣列中心的陣元設(shè)為參考陣元，包括以下步驟 (一)對(duì)陣列中各陣元的接收信號(hào)Xp (t)進(jìn)行離散傅里葉變換得到近場(chǎng)寬帶信號(hào)源在頻率域的陣列信號(hào)模型Xp (f)，之后進(jìn)入步驟(ニ)和步驟(五)； Xp{f) = t^f)eJ^f)+Np(f) 其中，P表不各陣兀的編號(hào)，參考陣兀的編號(hào)為P=O,與參考陣兀為中心向左為負(fù)方向，向右為正方向；K為近場(chǎng)非相關(guān)寬帶信號(hào)源的個(gè)數(shù)，Sk(f)表示第k個(gè)信號(hào)在頻率f上的頻譜，Np(f)表示在頻率f上的第P個(gè)附加噪聲，附加噪聲Np (f)為與信號(hào)不相關(guān)的零均值空間白噪聲，τ pk(f)表示第k個(gè)信號(hào)入射到參考陣元相對(duì)于第P個(gè)陣元在頻率f上的相位差； (ニ)將近場(chǎng)寬帶信號(hào)的頻率帶寬[fmin，fmaJ分解成2N+1個(gè)頻率族，N為正向頻率段數(shù)的最大值，計(jì)算頻率族中呈中心対稱的陣元輸出的含有方位角信息的互相關(guān)&(&+!!△ f)
2.如權(quán)利要求I所述ー種少陣元近場(chǎng)寬帶信號(hào)源參數(shù)估計(jì)方法，其特征在于，步驟(一)中第k個(gè)信號(hào)入射到參考陣元相對(duì)于第P個(gè)陣元在頻率f上的相位差Tpk(f)通過(guò)以下方法計(jì)算 τ Pk(f) = copk(O + c^pk(f)，其中，c0Pk(f)為只含有方位角參數(shù)的電角度參數(shù)，Φρ ^ )為同時(shí)含有方位角和距離參數(shù)的電角度參數(shù)；
3.如權(quán)利要求2所述一種少陣元近場(chǎng)寬帶信號(hào)源方位角和距離二維參數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法，其特征在于，步驟(三)利用互相關(guān)^構(gòu)造托普利茨矩陣L1的具體方法為
4.如權(quán)利要求3所述一種少陣元近場(chǎng)寬帶信號(hào)源方位角和距離二維參數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法，其特征在于，步驟(四)中使用MUSIC算法計(jì)算近場(chǎng)非相關(guān)寬帶信號(hào)源的方位角參數(shù)的方法為 首先對(duì)矩陣Rp,i進(jìn)行奇異值分解，利用零奇異值對(duì)應(yīng)的左奇異矢量構(gòu)成的(N+l) X (N+1-K)維矩陣Um為矩陣Riu的噪聲子空間； 再對(duì)功率譜P1 ( Θ k)進(jìn)行譜峰搜索得到信號(hào)的方位角；
5.如權(quán)利要求4所述一種少陣元近場(chǎng)寬帶信號(hào)源方位角和距離二維參數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法，其特征在于，步驟(七)中使用MUSIC算法計(jì)算近場(chǎng)非相關(guān)寬帶信號(hào)源的距離參數(shù)的方法為 首先對(duì)矩陣Rp,2進(jìn)行奇異值分解，利用零奇異值對(duì)應(yīng)的左奇異矢量構(gòu)成的(N+l) X (N+l-Κ)維矩陣Un2為矩陣Rp，2的噪聲子空間； 再對(duì)功率譜P2 ( β pk)進(jìn)行譜峰搜索得；
全文摘要
本發(fā)明提提供一種利用較少陣元對(duì)較多的近場(chǎng)寬帶信號(hào)源的DOA和距離參數(shù)進(jìn)行估計(jì)的方法，充分利用寬帶信號(hào)的特點(diǎn)，在較少陣元的情況下，利用頻率族中陣元輸出的互相關(guān)構(gòu)造出滿足現(xiàn)有窄帶MUSIC算法的，含有方位角和距離參數(shù)信息的托普利茨矩陣，最后采用MUSIC算法來(lái)估計(jì)方位角和距離參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)較多的近場(chǎng)寬帶信號(hào)源進(jìn)行定位。本發(fā)明可利用較少陣元對(duì)較多的近場(chǎng)寬帶信號(hào)源進(jìn)行定位，且不需參數(shù)配對(duì)，角度預(yù)估和寬帶聚焦，運(yùn)算量更小，便于實(shí)際應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01S5/02GK102841344SQ20121033739
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者林文鳳, 易周維, 甘露, 魏平, 李立萍 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)