[发明专利]基于稀疏重构的互质阵列波达方向角估计方法

说明书

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，特别涉及声学信号、电磁信号的阵列信号处理技术,具体是一种基于稀疏重构的互质阵列波达方向角估计方法，可用于目标侦察与无源定位。

背景技术

信号的波达方向角DOA估计是阵列信号处理领域的一个重要分支，它是指利用天线阵列对空间声学信号、电磁信号进行感应接收，再运用现代信号处理方法快速准确的估计出信号源的方向，在雷达、声纳、无线通信等领域具有重要应用价值。随着科技的不断进步，对信号波达方向估计的精确度和和分辨率也有越来越高的要求。

过去的DOA估计方法，通常使用的是典型线性均匀阵列。对于一个L阵元的典型线性阵，传统的MUSIC类计算方法可检测的信源数目是L-1。为了在少的阵元条件下得到尽量大的角度自由度，检测更多的信源，一些新的阵列结构被提出，比较有代表性的是嵌套阵列以及互质阵列。对于这些阵列的DOA估计技术，通常的方法是平滑MUSIC子空间方法(S-MUSIC)，但S-MUSIC方法需要较多的先验知识：需要预先知道信号数目，知道准确的噪声分布方差，或者花费很多运算来估计噪声分布方差。近年来，一些新颖的观点：基于Khatri-Rao积子空间协方差稀疏重构的DOA估计方法，也被应用到DOA估计中。但已有的方法在计算互质阵列中虚拟阵列接收数据时需要计算自相关矩阵、互相关矩阵，之后抽取排序，且所选用字典并非最优，从而不能估计最多的信源数目，在稀疏重构的过程中也没有给出一个很好的误差分布参量，造成较大的DOA估计误差。而在实际应用中，信源数目和噪声分布一般都是未知的，上述传统方法中存在运算量大和估计误差大等缺陷，会对目标侦查、无源定位的速度和精度带来较大的影响：不能实时快速的检测目标，目标个数很多时甚至无法识别，导致目标捕获失败。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术中需要已知信源数目和同等条件下识别信源数量不足等问题，提出一种基于稀疏重构的互质阵列波达方向角估计方法，在降低运算量的情况下，提高目标侦察准确性，提高了无源定位在低信噪比、低快拍数、低先验知识条件下的DOA估计精度，避免因角度估计误差引起的目标侦察失误，同时在一定阵元数条件下增加了可识别的信源数目，在侦查目标多于阵元数目时表现尤为突出。

为实现上述目的，本发明的实现步骤包括如下：

1)用2M+N-1个天线接收机形成互质阵列，每个天线接收机称为一个阵元，并假设有K个目标声学或电磁信号入射到该互质阵列，K≥1。

1a)用N个天线接收机形成均匀线性阵列1，简称线阵1，用2M-1个天线接收机形成均匀线性阵列2，简称线阵2，线性阵列1的阵元间距为Md，线性阵列2的阵元间距为Nd，其中N>M≥2且M、N互质，0<d≤λ/2，λ为入射到互质阵列的窄带信号波长，定义线阵1的第一个阵元为互质阵列的阵元0；

1b)组合线性阵列1和线性阵列2为互质阵列：将线阵2的第一个阵元放置于阵元0后相距为Nd的位置，线阵2的所有阵元依次插于线阵1中，线阵1和线阵2在同一条线上，从互质阵列阵元0开始，由头至尾命名各个阵元依次为阵元0，阵元1，……，阵元2M+N-2。

2)由互质阵列天线接收机对空间目标的声学或电磁信号进行采样，得到阵列输出信号Y(t)，定义Y_m(t)为第m个阵元的输出信号，m＝0,1,...,2M+N-2。

3)根据互质阵列输出信号Y(t)计算虚拟阵列接收数据矢量y。

4)对探测空域波达方向角观测空间进行网格划分，构造超完备基Φ(θ)，并定义一个空域稀疏向量s。

5)将探测空域波达方向角估计转化为求解如下稀疏约束方程：

min ||s||₁

subject to ||y-Φ(θ)s||₂≤η,

s≥0

其中s是一个Q×1维的未知矢量，η是需要预先估计的误差分布参量，||·||₁是矩阵的一阶范数，||·||₂是矩阵的二阶范数。

6)采用凸优化方法求解稀疏约束方程，得到未知矢量s的最稀疏解

7)以波达方向角范围θ＝[θ₁,θ₂,...,θ_q,...,θ_Q]的值为x轴坐标，以向量的幅度值为y轴坐标，绘制幅度谱图，从该幅度谱图中按照从高到低的顺序寻找幅值较大的前K个谱峰，这些谱峰的峰值点所对应的x轴坐标即为目标的波达方向角度值。