[发明专利]一种二维空间谱谱峰搜索方法

说明书

技术领域

本发明涉及阵列信号处理中的信号波达方向的二维估计，尤其是信号二维空间谱中谱峰搜索方法。

背景技术

在现代阵列信号处理中，波达方向(DOA)估计在近几十年来一直是研究的热点，而且在雷达、水下声纳、移动通信和电子对抗中有着广泛的应用。在实际应用中通常需要对多个信号源的来波方向进行二维测向(方位角和俯仰角)。国内外学者提出了多种解决方法，其中，MUSIC算法这类子空间方法是比较经典的方法，它的测向误差可以接近Cramer-Rao方差下界，并具有很高的角度分辨率。但是，MUSIC算法中的二维空间谱搜索的计算量很大，且随搜索精度的提高而以指数倍提升，因而难以做到实时处理，使得MUSIC算法的实用性大打折扣。

目前，二维MUSIC算法谱峰搜索的主要方法有：基于各方向导数的搜索算法(吴世龙，罗景青，刘有军，“一种用于二维MUSIC算法的谱峰识别方法研究”，《信号处理》，2005，21(8)：16-19.)、基于Metropolis-Hastings采样的搜索算法(Q.H.Guo，G S.Liao.“Fast MUSIC spectrum peak search via metropolis-hastings sampler”，Journal of electronics(China)，2005，22(10)：599-604)、基于广义Rayleigh商的搜索算法(A.Ferreol，E.Boyer and P.Larzabal，“Low cost algorithm for some bearing estimation methods in presence of separable nuisance parameters”，Inst.Elect.Eng.Elect.Lett.，2004，40(7)：966-967.)等等。这些算法在单信号源情况下的性能表现良好，得到了一些应用。但是，在实际工程应用中，由于存在阵列通道不一致性和天线单元互耦、信号信噪比较低等问题，实际得到的空间谱图往往不是理想的，特别是在多个信号同时入射时，上述谱峰搜索算法常常会给出错误结果，使得漏警率和虚警率有一定的升高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二维空间谱谱峰搜索方法，该方法可以提高波达方向估计的正确率。

本发明提供的一种二维空间谱谱峰搜索方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

第1步对噪声子空间和天线阵列流型矢量构成的空间谱图进行二维粗搜索，得到粗搜索谱峰点；

第2步在粗搜索谱峰点附近进行细搜索，得到谱峰候选点；

第3步对所述谱峰候选点进行分类，找到对应于信号个数的真实谱峰点；

第4步利用这些真实谱峰周围的虚假谱峰信息，最终用真实谱峰和其周围的虚假谱峰的加权值作为来波方向估计的值。

本发明方法通过研究实际空间谱图的特性，将多尺度搜索算法推广到二维谱峰搜索当中。在多源多径信号入射情况下，简单地使用这种多尺度搜索方法，往往得不到全局最优的波达方向估计结果。鉴于这种情况，本发明将数据聚类方法引入其中，提高了波达方向估计的正确率。这种谱峰搜索方法的步骤包括粗搜索、细搜索和最优谱峰方位计算。而且空间谱图在高仰角和低仰角区域具有信号谱峰在方位角方向和仰角方向的陡峭程度不一致的特性，而这种特性不利于这种网格搜索。因为当搜索步长不足够小时，会在方位角或俯仰角搜索结果中出现俯仰角估计值比较准确而方位角估计值误差较大，或者方位角估计值比较准确而俯仰角估计值误差较大的情况。对此，本发明在最优谱峰方位计算中对高俯仰角和低俯仰角区域使用更小的步长进行搜索，虽然增加了一定的计算量但提高了方位估计精度。

总之，本发明首先使用较大的粗搜索步长确定谱峰的大致位置，然后使用较小的细搜索步长精确搜索得到准确的信号入射角，同时运用谱系聚类法得到全局最优估计，避免得到局部最优估计，这些全局最优估计也就是空间谱图的真实谱峰，最后利用真实谱峰和它周围的虚假谱峰的加权值作为最后来波方向方位的估计以提高估计精度。

附图说明

图1是均匀圆阵天线与入射信号的位置关系示意图；

图2是一个二维MUSIC算法空间谱图示例；

图3是本发明提供的二维空间谱谱峰搜索方法的流程图；

图4是谱峰粗搜索流程图；

图5是谱峰细搜索流程图；

图6是类似灌水法流程图；

图7是第一种最优谱峰方位计算流程图；

图8是第二种最优谱峰方位计算流程图。

具体实施方式