基于多基線分布式陣列的波達(dá)方向估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多基線分布式陣列的波達(dá)方向估計(jì)方法，主要解決分布式陣列對(duì)目標(biāo)波達(dá)方向估計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)角度模糊的問(wèn)題，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：以多基線結(jié)構(gòu)布置子陣，提取陣列的接收數(shù)據(jù)；估計(jì)出接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣并對(duì)其進(jìn)行特征分解求得信號(hào)子空間；根據(jù)信號(hào)子空間分別構(gòu)造子陣內(nèi)空域旋轉(zhuǎn)不變性方程、最短基線子陣間的空域旋轉(zhuǎn)不變性方程和最長(zhǎng)基線子陣間的空域旋轉(zhuǎn)不變性方程；分別求解這些方程得到無(wú)模糊粗估計(jì)、短基線有模糊的精估計(jì)和長(zhǎng)基線有模糊的精估計(jì)；對(duì)得到的估計(jì)參數(shù)配對(duì)并解模糊求得目標(biāo)波達(dá)方向。本發(fā)明提高了分布式陣列在低信噪比條件下的波達(dá)方向估計(jì)性能，進(jìn)一步擴(kuò)大了陣列的物理孔徑，可用于目標(biāo)識(shí)別。
【專利說(shuō)明】基于多基線分布式陣列的波達(dá)方向估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于雷達(dá)信號(hào)處理【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及分布式雷達(dá)測(cè)角方法，可用于目標(biāo)定位?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]波達(dá)方向估計(jì)是陣列信號(hào)處理中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，在雷達(dá)、無(wú)線通信、聲納等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用和研究。陣列的物理孔徑是與陣列波達(dá)方向估計(jì)性能密切相關(guān)的重要參數(shù)，陣列的物理孔徑越大，陣列的角分辨率和波達(dá)方向估計(jì)精度就越高。為了提高陣列的角分辨率和波達(dá)方向估計(jì)精度，就需要擴(kuò)展陣列的物理孔徑，最普遍的方法就是增加陣列的陣元數(shù)。然而，增加陣元數(shù)將導(dǎo)致系統(tǒng)硬件成本和測(cè)角算法的計(jì)算復(fù)雜度的增加，為了在不增加系統(tǒng)軟硬件成本的基礎(chǔ)上提高陣列波達(dá)方向估計(jì)性能，由多個(gè)分置的子陣構(gòu)成的分布式陣列得到了廣泛關(guān)注。依據(jù)空域采樣定理，分布式陣列的合成方向圖存在高柵瓣，進(jìn)行波達(dá)方向估計(jì)時(shí)將導(dǎo)致測(cè)角模糊進(jìn)而影響測(cè)角精度。
[0003]為了得到精確的角度估計(jì)值，解決分布式陣列帶來(lái)的角度模糊問(wèn)題，目前主要采用以下兩類方法:
[0004](I)基于相位干涉儀的波達(dá)方向估計(jì):相位干涉儀解模糊主要通過(guò)不同的基線配置來(lái)實(shí)現(xiàn)，已有的方法包括:長(zhǎng)短基線法，基于參差基線的相位差變化值法，陣列多組解模糊法，二次相位差解模糊法等。相位干涉儀具有測(cè)向精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，觀測(cè)頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，但是它的陣元利用率比較低，使得低信噪比條件下波達(dá)方向估計(jì)性能較差，而且對(duì)陣元的位置分布要求嚴(yán)格，需要滿足特定條件，且僅適用于單目標(biāo)定位，很大程度上限制了其在分布式陣列中的應(yīng)用。
[0005](2)基于雙尺度ESPRIT 的波達(dá)方向估計(jì):Zoltowski 在《Direction finding withsparse rectangular dual-size spatial invariance array〉〉中給出了雙尺度 ESPRIT 角軍模糊算法。即先利用子陣孔徑得到無(wú)模糊精度較低的粗估計(jì)，再利用整個(gè)分布式陣列孔徑得到有|旲糊但精度聞的精估計(jì)，最后以粗估計(jì)作為參考值解精估計(jì)|旲糊得到無(wú)|旲糊精度聞的波達(dá)方向估計(jì)。該方法可適用于多目標(biāo)定位，定位精度較高，但是在低信噪比條件下波達(dá)方向估計(jì)性能下降明顯，極大的限制了分布式陣列物理孔徑的擴(kuò)展程度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于多基線分布式陣列的波達(dá)方向估計(jì)方法，以擴(kuò)大分布式陣列的適用范圍，提高分布式陣列在低信噪比條件下的波達(dá)方向估計(jì)性能，進(jìn)一步擴(kuò)展陣列的物理孔徑。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0008]一.技術(shù)思路:
[0009]通過(guò)分布式陣列子陣內(nèi)的空域旋轉(zhuǎn)不變性關(guān)系得到無(wú)模糊精度較低的粗估計(jì)，通過(guò)子陣間的空域旋轉(zhuǎn)不變性關(guān)系分別得到精度高但有模糊的短基線精估計(jì)與長(zhǎng)基線精估計(jì)，以粗估計(jì)作參考值解短基線精估計(jì)的模糊，用短基線精估計(jì)作為參考值解長(zhǎng)基線精估計(jì)的模糊，從而得到高精度且無(wú)模糊的波達(dá)方向估計(jì)。
[0010]二.實(shí)現(xiàn)方案
[0011]本發(fā)明基于多基線分布式陣列的波達(dá)方向估計(jì)方法，包括如下步驟:
[0012]I)以多基線結(jié)構(gòu)布置子陣，形成多基線分布式陣列，提取陣列的接收數(shù)據(jù)x(t)；
[0013]2)利用N個(gè)快拍數(shù)估計(jì)出接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣:
【權(quán)利要求】
1.一種基于多基線分布式陣列的波達(dá)方向估計(jì)方法，包括以下步驟:O以多基線結(jié)構(gòu)布置子陣，形成多基線分布式陣列，提取陣列的接收數(shù)據(jù)x(t)；2)利用N個(gè)快拍數(shù)估計(jì)出接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多基線分布式陣列的波達(dá)方向估計(jì)方法，其中步驟I)所述的以多基線結(jié)構(gòu)布置子陣，形成多基線分布式陣列，是由布置在同一水平線上的3個(gè)完全相同的子陣構(gòu)成多基線分布式陣列，其中:第一個(gè)子陣與第二個(gè)子陣間的基線長(zhǎng)度為D12, D12 > Md，為子陣間最短基線；第一個(gè)子陣與第三個(gè)子陣間的基線長(zhǎng)度為D13 = kD12，為子陣間最長(zhǎng)基線；第二個(gè)子陣與第三個(gè)子陣間的基線長(zhǎng)度為D23 = (k-l)D12 ；k為子陣間最長(zhǎng)基線與最短基線長(zhǎng)度的比值，k > 2 ;子陣陣元數(shù)為M，M > 2 ;子陣內(nèi)陣元間距為d≥λ/2，λ為入射信號(hào)波長(zhǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多基線分布式陣列的波達(dá)方向估計(jì)方法，其中步驟3)所述的利用空域旋轉(zhuǎn)不變信號(hào)參數(shù)估計(jì)算法求得一組無(wú)模糊的順序隨機(jī)的多目標(biāo)方向余弦粗估計(jì)值β c及非奇異矩陣T。，按如下步驟進(jìn)行:3a)根據(jù)信號(hào)子空間Es，構(gòu)造粗估計(jì)旋轉(zhuǎn)不變方程=Ze2Es = ZciEs0C,其中，
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多基線分布式陣列的波達(dá)方向估計(jì)方法，其中步驟4a)所述的利用空域旋轉(zhuǎn)不變信號(hào)參數(shù)估計(jì)算法求得一組有模糊的順序隨機(jī)的多目標(biāo)方向余弦短基線精估計(jì)值β Fs及非奇異矩陣TFs，按如下步驟進(jìn)行:4a)根據(jù)信號(hào)子空間Es，構(gòu)造短基線精估計(jì)旋轉(zhuǎn)不變方程:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多基線分布式陣列的波達(dá)方向估計(jì)方法，其中步驟4b)所述的利用空域旋轉(zhuǎn)不變信號(hào)參數(shù)估計(jì)算法求得一組有模糊的順序隨機(jī)的多目標(biāo)方向余弦長(zhǎng)基線精估計(jì)的一組值β F1及非奇異矩陣TF1，按如下步驟進(jìn)行:5a)根據(jù)信號(hào)子空間Es，構(gòu)造長(zhǎng)基線精估計(jì)旋轉(zhuǎn)不變方程:ZF12ES = Zf11Es Of1，其中，Zf11—[I(M) O(MXM) O(MXM) ]為長(zhǎng)基線精估計(jì)第一選擇矩陣，Zf12 = [0(MXM) 0(MXM) I(M)]為長(zhǎng)基線精估計(jì)第二選擇矩陣，?F1為長(zhǎng)基線精估計(jì)旋轉(zhuǎn)不變關(guān)系矩陣，1(?)表示M階單位陣，0(MXS0表示MXM維全零陣，M為每個(gè)子陣的陣元數(shù)；5b)求解步驟5a)中所述的長(zhǎng)基線精估計(jì)旋轉(zhuǎn)不變方程，得到長(zhǎng)基線精估計(jì)旋轉(zhuǎn)不變關(guān)系矩陣?F1，再對(duì)該關(guān)系矩陣?F1進(jìn)行特征分解，得到非奇異矩陣Tn和長(zhǎng)基線精估計(jì)信號(hào)對(duì)角矩陣ΩΡ1 ；5c)提取步驟5b)中所述的長(zhǎng)基線精估計(jì)信號(hào)對(duì)角矩陣Ωη對(duì)角線上的元素，得到一組有模糊的順序隨機(jī)的多目標(biāo)方向余弦長(zhǎng)基線精估計(jì)值βη，其中，βη由皮7Wf,...,05...,;?7組成，Af為第P個(gè)目標(biāo)的有模糊的方向余弦長(zhǎng)基線精估計(jì)值，P =I, 2,..., Q, Q為目標(biāo)個(gè)數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多基線分布式陣列的波達(dá)方向估計(jì)方法，其中所述步驟5b)中分別求解一組有模糊的順序隨機(jī)的多目標(biāo)方向余弦短基線精估計(jì)值β Fs中與其相對(duì)應(yīng)的短基線精估計(jì)值，得到一組無(wú)模糊且精度高的多目標(biāo)方向余弦短基線精估計(jì)值，通過(guò)以下公式進(jìn)行:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多基線分布式陣列的波達(dá)方向估計(jì)方法，其中所述步驟5c)中分別求解一組有模糊的順序隨機(jī)的多目標(biāo)方向余弦長(zhǎng)基線精估計(jì)值βη中與其相對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)基線精估計(jì)值，得到一組無(wú)模糊且精度高的多目標(biāo)方向余弦長(zhǎng)基線精估計(jì)，通過(guò)以下公式進(jìn)行:
【文檔編號(hào)】G01S3/14GK103605107SQ201310648232
【公開日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】陳伯孝, 馬嚴(yán), 楊明磊, 許業(yè)彬 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)