[发明专利]一种相干分布式宽带线性调频信源定位方法

说明书

技术领域

本发明属于阵列信号处理领域，涉及一种分布式信源的空间参数估计方法。

背景技术

目前，大部分的信号波达方向估计算法都是基于理想化的远场点信源这一假设而进行的。在此假设下,信源和接收阵列之间只存在视距传播，且直射波信号强度足够大，使得每个信源的大部分能量均被认为来自同一个角度。然而实际目标往往具有比点信源更复杂的空间分布特性。例如水下回波探测器所接收的河床反射信号、低仰角雷达目标跟踪中海面反射的回波信源、对流层或电离层无线电传播中的散射信源、低海拔无线链路受到地面反射而形成的多信源分量以及高混响室内麦克风阵列所接收到的声源等。由于缺少了直射波，阵列流形受信源扩散特性的影响，基于点信源的假设会导致波达方向估计性能的急剧下降。此外，当点信源在观测期间随机起伏，其波达方向将会满足一定的随机分布，亦无法再用一个确定方向来进行描述。因此需要建立新的模型对信源在空间角度域上的扩散特性进行精确描述，这就是分布式信源信号模型。

分布式信源的空间参数估计受到了广泛的关注和研究，但大部分研究是建立在信号带宽远小于中心频率的窄带信号这一前提之下；当入射的空间信号是信号带宽与中心频率可比拟的宽带信号时，特征子空间类算法的估计性能随着信号带宽的增加而急剧下降直至完全失效。而较之传统阵列信号处理理论中的窄带信源模型，宽带信号往往携带更丰富的目标信息并具有更强的抗干扰能力，因此更利于对目标进行信号检测、参数估计和特征提取。在宽带信号入射条件下，分布式信源模型的方向向量与时间参数有关，因此传统的分布式窄带信源估计算法不能直接推广到宽带领域。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提出一种在估计性能上有很大提升，并允许入射信源数量超过阵元数量的分布式信源定位方法。本发明针对宽带线性调频信号，基于分数阶傅里叶变换，进行信源数量估计、信源分离及相应的空间参数估计，进而实现各个信源的定位。

为达到上述目标，本发明采用如下方案予以实现。

一种相干分布式宽带线性调频信源定位方法，步骤如下：

步骤1：假设具有p个阵元的天线阵列接收q个分布式宽带信源入射，则时域中分布式宽带信源模型可表示为：

其中，x(t)为天线阵列上输出的复包络，t为时间参数，为阵列的方向向量，该方向向量具有时变性，为第i个信源在方向的角度信号密度，Θ∈(-π/2,π/2)，当入射信源为相干信源时，则其中，s(t)为反映分布式信源的时间特性的随机变量，为确定性角度信号密度函数，ψ_i为第i个信源未知的反映信源空间分布特征的参数向量，n(t)为高斯白噪声向量；

对x(t)进行旋转角度为α的分数阶傅里叶变换，得到其分数阶傅里叶域中分布式宽带信源模型为

其中，X(α,u)为x(t)的分数阶傅里叶变换形式，u是分数阶域坐标，为分数阶傅里叶域的方向向量，为的分数阶傅里叶变换形式，N(α,u)为n(t)的分数阶傅里叶变换形式；

步骤2：针对x(t)进行连续旋转角度的分数阶傅里叶变换，在时频平面(α,u)对X(α,u)进行二维搜索，得到多个谱峰值；

步骤3：通过计算谱峰个数，确定分布式信源的个数，对每个分布式信源，分别执行下面的步骤4-9；

步骤4：确定第i个峰值的旋转角度，该旋转角度即为第i个信源的能量聚集域的旋转角度α_ei；

步骤5：在该信源能量聚集域中对X(α_ei,u)进行滤波处理，以消除其它信源和噪声对该信源的影响；

步骤6：通过α_di＝α_ei+π/2确定解线调域角度α_di，并将滤波之后的信号变换到其解线调域，得到X(α_di,u)；

步骤7：计算协方差矩阵R_XX＝E[X(α_di,u)X^H(α_di,u)]，其中E[X(α_di,u)X^H(α_di,u)]为X(α_di,u)X^H(α_di,u)的期望值，H为矩阵的共轭转置操作；

步骤8：对R_XX进行特征值分解，求解噪声特征向量空间E_n；

步骤9：将E_n带入对进行谱峰搜索，通过峰值位置确定空间参数，从而实现信源定位。