Iesprit,一種基于任意陣列的空間信號doa的快速估計算法
【專利說明】IESPRIT，一種基于任意陣列的空間信號DOA的快速估計算 法
[0001] IESPRIT，全稱 Iterative Estimation of Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques,中文名為"迭代的利用旋轉(zhuǎn)不變技術估計信號參數(shù)"算法，是一種 基于任意陣列的，對空間信號群到達角度O0A，Direction of Arrival)的無偏的，漸進一 致的快速估計算法。算法適用性強，運算效率高，易工程模塊化軟硬件實現(xiàn)。
技術領域 [0002] ，空間信號D0A估計或者空間譜估計技術，特別是共形陣（任意陣）的空 間譜超分辨率估計技術有著重要的理論研究和實際應用價值。利用天線陣或者無線傳感器 對空間目標定位已在各種軍、民用系統(tǒng)中得到大量應用，雷達陣對空間敵友目標的甄別，跟 蹤都需要以準確估計目標空間方位為前提；在太空中的天文觀測陣系統(tǒng)以及在海洋中對水 中目標的定位的聲納系統(tǒng)最基本的工作任務就是估計目標方位；在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中， 利用"智能天線"來確定用戶的方位，使得與之的通信波束達到最窄來提高系統(tǒng)容量，增加 傳輸速率，其前提就是準確估計信號方位；此外在地震波接收，射線斷層成像等都需要用到 D0A的估計。
【背景技術】 [0003] ，在各種定位，跟蹤系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的估計D0A估計方法就是掃描，匹配方 法，在可能的空間方位進行掃描，利用傳統(tǒng)的波束形成方法得到最大接收功率對用的方向， 但是分辨率低，不適用高要求場合。各種突破傳統(tǒng)估計方法精度的所謂超分辨率估計算法 中，ML(Maximum Likelihood，最大似然）類算法運算量非常大，MUSIC(Multiple Signal Classification，多重信號分類法）類算法根據(jù)信號特征空間和噪聲特征空間正交的特 性，搜索所有可能的方向候選值來確定最適合的值作為D0A估計，MUSIC算法普遍適合任 意陣列，但往往需要進行多維的空間搜素再來比對，因此運算量相當大，實時實現(xiàn)困難； ESPRIT(Estimation of Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques)類 算法利用子陣列的移不性來快速估計D0A，運算量小，效率高，但需要陣列是規(guī)則陣列，能夠 劃分出兩個具有移不變的子陣列；內(nèi)插的虛擬陣列技術可以在一定空間角度內(nèi)將任意陣列 與設定的理想移不變陣列近似，但估計存在偏差并且空間近似范圍越大，誤差越大，并不具 有普適性。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] ，本發(fā)明成功解決了空間任意陣（共形陣，或不規(guī)則陣）對空間信號D0A 的快速估計難題，算法的實質(zhì)是利用信號初始估計值來確定實際陣列與某一選定的規(guī)則 參考陣列的相位差，從而對原始信號或者由原始信號得到的信號特征空間矩陣進行相位補 償，即更新數(shù)據(jù)，然后利用更新后的數(shù)據(jù)再進行快速ESPRIT計算，得到更進一步接近真實 的D0A估計，如此反復迭代，直到迭代輸入的數(shù)值和輸出的值近似相等為止。理論和仿真數(shù) 據(jù)指明，這個迭代的穩(wěn)定值就為唯一的方位真值。于是，本發(fā)明IESPRIT算法就成功地解決 了任意陣列，包括共形陣在內(nèi)的不規(guī)則陣列的D0A或空間譜快速估計問題。更新數(shù)據(jù)后的 得到的
[0005]
【附圖說明】，圖1是一個不規(guī)則線陣示意圖，其中實心圓表示陣列天線的實際位置， 而空心圓表示參考陣的位置；圖2是用本發(fā)明IESPRIT算法作用于空間半球共形陣示意 圖，其中空間大圓弧上放置的是實際的天線陣元，平面內(nèi)空心圓是相應的參考陣的陣元；圖 3是IESPRIT算法的并行實現(xiàn)形式，適用于功率不等的D個空間信號的DOA估計；圖4是 IESPRIT算法的一般實現(xiàn)形式；圖5是對半球共形陣采用IESPRIT算法，在入射信號方位角 為65度，俯仰角為45度，不同信噪比情況下的方位角估計結果；圖6是同一情況下俯仰角 的估計仿真結果，采樣數(shù)據(jù)1〇〇〇,設定角度差閾值〇. 2度，每個信噪比下10次仿真實驗。
【具體實施方式】，
[0006] (1)由實際的陣列獲得陣元空間位置矩陣（如X，Y)，再由確定好的參考陣獲得參 考陣的空間位置坐標（如X'，Y'），得到對應陣列之間的位置偏差矩陣（如A xx,，Aw,)
[0007] (2)對樣本進行預處理，去除互耦，通道幅相誤差等影響；若使用信號特征空間矩 陣進行更新數(shù)據(jù)，則先使用陣列快拍輸出（采樣輸出）通過計算樣本協(xié)方差矩陣，然后進行 特征分解，獲取最大D個特征值所對用的特征向量作為信號特征空間矩陣U s
[0008] (3)由快拍或者信號特征空間矩陣使用經(jīng)典ESPRIT算法基于參考陣進行方向初 估值，得到D個空間信號的初始二維角度(MDP = 12〇,并將之記為第j次迭代（j = 〇)；
[0009](4)依次將上次估計的方位值結合位置偏差矢量Axx,，AYY,獲得針對X陣 列和Y陣列的相位補償矩陣、
[0014]其中<，A是輸入的第j次（上次）第i個信號的方位角和俯仰角，AXmxx.是A xx, 的第m個陣元位置偏差的x坐標，AymvY.是Aw，的第 m個陣元位置偏差的y坐標，其余同理。
[0015] (5)將上一步得到的相位補償陣用于原始快拍數(shù)據(jù)或者信號特征空間進行更新， 得到：
[0019] (6)對更新數(shù)據(jù)進行ESPRIT二維角估值，若輸入方向角數(shù)據(jù)和其中的一個輸出方 向估值相同，則此值即為某一信號D0A，停止對該數(shù)據(jù)的迭代；否則轉(zhuǎn)向第（4)步進行下一 次迭代。
[0020] (7)當所有的數(shù)據(jù)迭代完成后將得到D個最終的二維方向估值。
【主權項】
IESPRIT(IterativeEstimationofSignalParametersViaRotational Techniques), 一種基于任意陣列的空間信號DOA(DirectionofArrival)的快速估計算 法。 本發(fā)明采用迭代的方法，利用相位補償原理作用于任意天線陣列（無線傳感器網(wǎng)絡） 的輸出數(shù)據(jù)或由輸出數(shù)據(jù)得到的特征空間數(shù)據(jù)上，從而利用ESPRIT技術獲取空間信號群 的到達角（DOAs)估計。本發(fā)明解決了ESPRIT算法不能適用于任意不規(guī)則陣列的難題。算 法運算量小，精度高，易于模塊化工程實現(xiàn)。 本發(fā)明有以下3項【主權項】
1. 任意天線陣列（包括共形陣），無線傳感器網(wǎng)絡在對空間目標方位估計（定位）時， 采用相位補償，從而迭代快速求解的DOA估計算法及實現(xiàn)系統(tǒng)，包括但不限于利用此算法 實現(xiàn)的對各種空間或水中目標進行定位，跟蹤等寬，窄帶系統(tǒng)。
2. 任意DOA估計中采用本發(fā)明所創(chuàng)造的相位補償，迭代求解思想的軟硬件實現(xiàn)模塊， 子系統(tǒng)。
3. 任何采用本發(fā)明所創(chuàng)造的相位補償，迭代求解方法進行DOA估計其它延伸的應用， 如陣列校正等應用系統(tǒng)。
【專利摘要】本發(fā)明提出的一種名為IESPRIT(迭代ESPRIT)算法，它是一種無偏，漸進一致的對空間信號到達角(DOA)的快速估計算法，能廣泛用于雷達，聲納，無線傳感器陣列等用于空間目標定位，跟蹤的應用系統(tǒng)。IESPRIT突破了ESPRIT算法只能適用于規(guī)則具有移不變性的陣列的限制，可以普遍適用于任意結構陣列對空間信號的DOA估計，其將ESPRIT視作特例，因此具有極大的理論研究和應用價值，特別是適用于共形陣對DOA的估計。IESPRIT算法采用迭代的方法，每次迭代前對原始數(shù)據(jù)或者由原始數(shù)據(jù)獲取的信號特征空間矩陣數(shù)據(jù)進行相位補償，使之更加接近于設定的參考陣，再利用參考陣具有移不變性的特點采用ESPRIT估計出比上一次更加準確的結果，直到迭代穩(wěn)定到唯一的真值。
【IPC分類】G01S3/02
【公開號】CN104931920
【申請?zhí)枴緾N201410487737
【發(fā)明人】劉松
【申請人】劉松
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2014年9月23日