專利名稱：一種基于空域自適應(yīng)濾波的波達(dá)方向估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陣列信號處理中的波達(dá)方向估計(jì)方法，具體涉及ー種基于空域自適應(yīng)濾波的窄帶信號的波達(dá)方向估計(jì)方法。
背景技術(shù)：
信號的波達(dá)方向估計(jì)是陣列信號處理中的重要研究內(nèi)容，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納、通信等系統(tǒng)中。目前，針對大信噪比情況下的窄帶信號的各種波達(dá)方向(Direction OfArrival,D0A)估計(jì)方法中，多重信號分類法(Multiple SignalsClass,MUSIC)具有超分辨特性，受到廣泛關(guān)注。但由于MUSIC算法在實(shí)現(xiàn)過程中，需要估計(jì)信源個(gè)數(shù)，同時(shí)也需要對接收信號協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解，一旦接收陣元的數(shù)量較大，對信號進(jìn)行處理的計(jì)算量大大增加，這些都不利于在FPGA或者DSP器件中實(shí)現(xiàn)。由于MUSIC算法的這些缺點(diǎn)，導(dǎo)致該方法工程實(shí)現(xiàn)困難。·

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明專利要解決的技術(shù)問題是針對窄帶信號設(shè)計(jì)新的波達(dá)方向估計(jì)方法，以克服使用經(jīng)典MUSIC算法中需要已知信源個(gè)數(shù)，計(jì)算過程復(fù)雜，計(jì)算量大的不足。解決上述問題的技術(shù)方案是ー種基于空域自適應(yīng)濾波的波達(dá)方向估計(jì)方法，其實(shí)現(xiàn)步驟為第一歩，由N+1個(gè)陣元構(gòu)成的均勻線陣中，陣元間距I為半個(gè)波長，第一個(gè)陣元為參考陣元，其余N個(gè)陣元為輔助陣元，對陣元接收的窄帶信號進(jìn)行K次采樣，采樣頻率為
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fs，則參考陣元接收信號為d=[d(l)...d(K)]，輔助陣元接收信號為……，x(l)= ...，
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)=...，其中N和K都為自然數(shù)，K>2N;第二步，對所有接收數(shù)據(jù)矢量進(jìn)行正交變換，得到相應(yīng)的解析信號……,d聲(I) _ ；第三歩，對解析信號采用基于功率倒置的空域自適應(yīng)濾波算法，進(jìn)行M次迭代計(jì)算求權(quán)值，在權(quán)值w (k)收斂后，最后一次迭代計(jì)算出最優(yōu)權(quán)值w (M)，該權(quán)矢量為N行列矢量，其中，迭代次數(shù)滿足k〈M〈K;第四步，根據(jù)得到的最優(yōu)權(quán)值矢量W(M)，把所有N+1個(gè)陣元視為ー個(gè)新的陣列，構(gòu)造一個(gè)新的權(quán)值矢量為《^ =及方向矢量'^が)=v(ダ，v( 0 )為入射信號進(jìn)入N個(gè)輔助陣元的方向矢量；第五步，定義空間譜尸⑷=g 、，在可見區(qū)間沒￡內(nèi)，對空間譜進(jìn)行譜
We Ve(0)L 2 2」峰捜索，譜峰位置即為估計(jì)出的信號波達(dá)方向，譜峰個(gè)數(shù)即為信號個(gè)數(shù)。上述一種基于空域自適應(yīng)濾波的波達(dá)方向估計(jì)方法，其第三步采用的基于功率倒置的空域自適應(yīng)濾波算法，具體的實(shí)現(xiàn)步驟為第一步,取初值W(O)=O, k=l,收斂判決門限e ,迭代步長Ii ；第二步，計(jì)算陣列輸出誤差信號e(k),其中= (た)-(左)；第三步,迭代計(jì)算權(quán)值w(た+1)= w(た)+/^第四步，計(jì)算I e(k) I2,進(jìn)行判斷，若I e(k) I2彡e，貝丨J k=k+l,轉(zhuǎn)第二步；若e (k) 12< e ,權(quán)值w(k)收斂,此時(shí)取M=k,停止計(jì)算。本發(fā)明的有益效果是新方法實(shí)現(xiàn)了窄帶信號的DOA估計(jì)，不僅無需進(jìn)行信源數(shù) 估計(jì)和矩陣特征分解，計(jì)算量大大減小，而且該方法在保持高分辨率情況下，各個(gè)計(jì)算步驟都適合FPGA或者DSP設(shè)計(jì)，便于工程實(shí)現(xiàn)。


圖I均勻線陣下陣列接收信號的示意2本發(fā)明方法的流程示意3空域自適應(yīng)濾波結(jié)構(gòu)框4本發(fā)明方法的窄帶信號DOA估計(jì)空間譜圖具體實(shí)施方法本發(fā)明方法是ー種基于空域自適應(yīng)濾波的窄帶信號的波達(dá)方向估計(jì)方法，該方法采用ー種基于功率倒置的自適應(yīng)空域?yàn)V波算法來構(gòu)造陣列權(quán)值矢量及方向矢量，然后定義空間譜函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)信號DOA估計(jì)。本發(fā)明無需進(jìn)行信源數(shù)估計(jì)和矩陣特征分解，減少了運(yùn)算量，便于工程實(shí)現(xiàn)。下面對本發(fā)明方法進(jìn)行詳細(xì)地描述。本發(fā)明方法針對遠(yuǎn)場不相干的窄帶信號，圖I為均勻線陣下陣列接收信號的示意圖。圖中，陣列由N+1個(gè)相同的全向陣元構(gòu)成，陣元間距I為半個(gè)波長?？臻g具有J個(gè)入
射信號，這些信號DOA分別為9 j, j=l, 2, . . . , J,姆個(gè)DOA位于區(qū)間-7，y，J〈N+1。在系
統(tǒng)陣列為N+1陣元構(gòu)成的均勻線陣中，設(shè)置第一個(gè)陣元為參考陣元，位于坐標(biāo)原點(diǎn)，其余N個(gè)為輔助陣元，則第j個(gè)信號到達(dá)該點(diǎn)時(shí)為\_(t)。陣列接收信號可以表示為y(t) = [d(t)，
J
X1 a), ...，xN(t)]T，符號[]T表示對矢量和矩陣求轉(zhuǎn)置，其中#)=之為
參考陣元接收的噪聲信號，第n個(gè)輔助陣元接收信號為レ)+W)，Tnj為第
n個(gè)輔助陣元接收到的第j個(gè)信號相對于原點(diǎn)信號的延時(shí)，in(t)為第n個(gè)輔助陣元接收的噪聲信號，n= 1，2，...，N。圖2為本發(fā)明方法的流程示意圖，具體方法分為五個(gè)步驟第一歩，對陣元接收的窄帶信號進(jìn)行K次采樣，采樣頻率為fs，則參考陣元接收信
'.T1(I)I P灰T號為 d= [(d(l)...d(K)]，輔助陣元接收信號為.....,X(I)= ... ,X(K)= ...，其中
_XN (1)__XNN和K都為自然數(shù)，K > 2N;第二歩，對所有接收數(shù)據(jù)矢量進(jìn)行正交變換，得到相應(yīng)的解析信號，3x(l)， ......，x(K);第三歩，對解析信號采用基于功率倒置的空域自適應(yīng)濾波算法，進(jìn)行M次迭代計(jì)算求權(quán)值，在權(quán)值w (k)收斂后，最后一次迭代計(jì)算出最優(yōu)權(quán)值w (M)，該權(quán)矢量為IV行列矢量，其中，迭代次數(shù)滿足k < M < K ;第四步，根據(jù)得到的最優(yōu)權(quán)值矢量W (M)，把所有N+1個(gè)陣元視為ー個(gè)新的陣列，構(gòu)造ー個(gè)新的權(quán)值矢量為Wfi=及方向矢量^ ,v(Q)為入射信號進(jìn)入N個(gè)輔助陣元的方向矢量；
Ir第五步，定義空間譜パめ=H⑻，在可見區(qū)間沒€ H內(nèi)，對空間譜進(jìn)行譜
峰捜索，譜峰位置即為估計(jì)出的信號波達(dá)方向，譜峰個(gè)數(shù)即為信號個(gè)數(shù)。上述一種基于空域自適應(yīng)濾波的波達(dá)方向估計(jì)方法，其第三步采用的基于功率倒置的空域自適應(yīng)濾波算法，具體的實(shí)現(xiàn)步驟為第一歩,取初值w(o) = 0, k = I,收斂判決門限e，迭代步長U ;第二步，計(jì)算陣列輸出誤差信號e(k),其中= 第三步,迭代計(jì)算權(quán)值w(是+1) = w(を)+//￡(作*(んう；第四步，計(jì)算I e (e) 12，進(jìn)行判斷，若| e (k) |2彡e，則k=k+l,轉(zhuǎn)第二步；若e (k) 12< e ,權(quán)值w(k)收斂,此時(shí)取M=k,停止計(jì)算。圖4是按照本發(fā)明方法對非相干窄帶信號進(jìn)行DOA估計(jì)仿真，得到的空間譜圖，其
中陣列個(gè)數(shù)N+l=8，I為半個(gè)波長，空間信號J=2，DOA分別為f和-:，采樣頻率fs=10MHz，
快拍數(shù)K=2000，信噪比分別為IOdB和20dB。圖中，兩個(gè)譜峰對應(yīng)的角度等于信號入射的角度，說明本發(fā)明方法的正確性。本發(fā)明利用功率倒置自適應(yīng)空間濾波產(chǎn)生權(quán)矢量，計(jì)算空間譜，從而估計(jì)信號D0A。相對于傳統(tǒng)MUSIC算法，保持高分辨率情況下，運(yùn)算量大大減小，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求，實(shí)現(xiàn)更為簡単。
權(quán)利要求
1.一種基于空域自適應(yīng)濾波的波達(dá)方向估計(jì)方法，其實(shí)現(xiàn)步驟為 第一歩，由N+1個(gè)陣元構(gòu)成的均勻線陣中，陣元間距I為半個(gè)波長，第一個(gè)陣元為參考陣元，其余N個(gè)陣元為輔助陣元，對陣元接收的窄帶信號進(jìn)行K次采樣，采樣頻率為fs， 則參考陣元接收信號為d=[cKl). . . d(K)]，輔助陣元接收信號為……，
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于空域自適應(yīng)濾波的波達(dá)方向估計(jì)方法，其特征在于第三步采用的基于功率倒置的空域自適應(yīng)濾波算法，其具體的實(shí)現(xiàn)步驟為 第一歩，取初值W(O)=O, k=l,收斂判決門限e ,迭代步長ii ； 第二步，計(jì)算陣列輸出誤差信號e(k),其中
全文摘要
一種基于空域自適應(yīng)濾波的波達(dá)方向估計(jì)方法是針對均勻線陣，實(shí)現(xiàn)步驟為1)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行K次采樣，則參考陣元接收信號為d，輔助陣元接收信號為x(1)，......，x(K)；2)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行正交變換得解析信號......，3)對解析信號采用基于功率倒置的空域自適應(yīng)濾波算法進(jìn)行M次迭代計(jì)算，最后一次迭代計(jì)算出最優(yōu)權(quán)值w(M)；4)把所有N+1個(gè)陣元視為一個(gè)新的陣列，構(gòu)造一個(gè)新的權(quán)值矢量為we及方向矢量ve(θ)；5)定義空間譜p(θ)，在可見區(qū)間內(nèi)，對空間譜進(jìn)行譜峰搜索，完成波達(dá)方向估計(jì)。該方法實(shí)現(xiàn)了窄帶信號的DOA估計(jì)，無需進(jìn)行信源數(shù)估計(jì)和矩陣特征分解，計(jì)算量小，分辨率高，實(shí)現(xiàn)簡單。
文檔編號G01S3/00GK102866383SQ201210404468
公開日2013年1月9日 申請日期2012年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月22日
發(fā)明者曾浩, 王婭, 趙靜, 鳳林鋒, 劉陸軍 申請人:重慶大學(xué)