[发明专利]一种基于压缩感知的自由度增加型互质阵列波达方向估计方法

说明书

本发明公开了一种基于压缩感知的自由度增加型互质阵列波达方向估计方法，主要解决现有技术中自由度性能受限与计算复杂度高的问题，其实现步骤是：接收端天线按照互质阵列结构进行架构；利用互质阵列接收入射信号；构造压缩感知核；利用压缩感知核实现接收信号的压缩，得到互质阵列接收信号的轮廓信号；计算压缩后轮廓信号的协方差矩阵；计算轮廓信号所对应的等价虚拟信号；根据由轮廓信号推导而来的等价虚拟信号构造虚拟域稀疏信号重建优化问题并求解；通过谱峰搜索获得波达方向估计结果。本发明充分利用了互质阵列能够增加自由度性能的优势和压缩感知技术，在降低计算复杂度的同时实现波达方向估计方法自由度的增加，可用于无源定位和目标探测。

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及对雷达信号、声学信号及电磁信号的波达方向估计，具体是一种基于互质阵列接收信号压缩感知的自由度增加型波达方向估计方法，可用于无源定位和目标探测。

背景技术

波达方向(Direction-of-Arrival,DOA)估计是阵列信号处理领域的一个重要分支，它是指利用阵列天线接收空域信号，并通过现代信号处理技术和各类优化方法实现对接收信号统计量进行有效处理，以实现信号的DOA估计，在雷达、声呐、语音、无线通信等领域有着重要的应用价值。

DOA估计方法的自由度是指其能够同时分辨的入射信号源的个数，作为实际系统应用中的一个重要衡量指标，决定着系统的总体复杂度。现有的DOA估计方法通常采用均匀线性阵列进行信号的接收与建模，但是基于均匀线性阵列方法的自由度是受实际天线阵元个数限制的。具体而言，对于一个包含L个天线阵元的均匀线性阵列，其自由度为L-1。因此，当某个空域范围内入射信号源的个数大于阵列中天线阵元的个数时，现有采用均匀线性阵列的方法将无法进行有效的DOA估计。为了增加自由度，传统方法需要通过增加物理天线阵元的个数来实现，这造成了系统计算复杂度和硬件复杂度的增加。因此，现有DOA估计方法在自由度性能与计算复杂度之间存在着一定的利弊权衡问题。

互质阵列能够在天线阵元个数一定的前提下增加DOA估计的自由度，因而受到了学术界的广泛关注。作为互质采样技术在空间域上的一个典型表现形式，互质阵列提供了一个系统性的稀疏阵列架构方案，并能够突破传统均匀线性阵列自由度受限的瓶颈，实现DOA估计方法自由度性能的提升。现有的基于互质阵列的DOA估计方法主要通过利用质数的性质将互质阵列推导到虚拟域，并形成等价虚拟均匀线性阵列接收信号以实现DOA估计。由于虚拟阵列中包含的虚拟阵元数大于实际的天线阵元数，自由度因此得到了有效的提升。但是，现有基于等价虚拟信号的DOA估计方法计算复杂度较高，在实际应用中，我们希望用较低的计算复杂度实现自由度的提升。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于压缩感知的自由度增加型互质阵列波达方向估计方法，在降低计算复杂度的同时，充分利用互质阵列的特性以增加DOA估计的自由度，从而有效降低在实际系统应用过程中的计算复杂度与硬件复杂度，提高系统的整体效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于压缩感知的自由度增加型互质阵列波达方向估计方法，该方法包含以下步骤：

(1)接收端使用M+N-1个天线，并按照互质阵列结构进行架构；其中M与N为互质整数；

(2)利用互质阵列接收D个方向为θ₁，θ₂,…,θ_D的远场窄带非相干信号源的入射信号，得到(M+N-1)×1维互质阵列接收信号x(k)，共采集K个采样快拍得到X＝[x(1),x(2),…,x(K)]；

(3)构造一个压缩感知核Φ：Φ是一个Q×(M+N-1)维矩阵；其中Q为压缩系数，满足QM+N-1且QD；Φ中的元素随机生成，且满足行正交的条件；