[发明专利]基于双层平行圆阵列天线的DOA估计方法

说明书

本发明提出了一种基于双层平行圆阵列天线的DOA估计方法，用于解决现有技术中存在的多个信号的入射角过于接近时DOA估计精度低和因谱峰搜索引起的运算量大的问题，实现步骤为：1.获取双层平行圆阵列天线的相关参数、信号源的相关参数、噪声相关参数、双层平行圆阵列天线轴向虚拟平移操作的相关参数；2.计算上层子圆阵的导向矢量矩阵；3.计算自协方差矩阵和互协方差矩阵；4.计算信号子空间的自相关矩阵的伪逆矩阵；5.计算波达方向矩阵；6.计算入射信号源的俯仰角和方位角。本发明具有运算量小、当入射角非常接近时DOA估计精度高等特点，可用于信号DOA估计处理系统。

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，涉及一种信号DOA估计方法，具体涉及一种基于双层平行圆阵列天线的DOA估计方法，可用于信号DOA估计处理系统。

背景技术

波达方向(DOA)是信号源到达阵列天线的方向，该方向可以由方位角和俯仰角来表示。DOA估计即是在某个空间阵列接收模型下对来波方向的方位角和俯仰角进行估计。空间阵列接收模型包括线阵和面阵。基于线阵的DOA估计只可估计[-π/2，π/2]的方位信息，基于面阵的DOA估计系统能估计[-π，π]的方位角和[0，π/2]的俯仰角信息，作为面阵中的一种，均匀圆面阵阵列结构具有对称性，在平面旋转时波束鲁棒性好，因此基于均匀圆阵的信号DOA估计一直是阵列信号处理领域的研究热点。在阵列信号处理中，DOA估计精度越高，对干扰的抑制能力就越强，信道容量就越大。传统的DOA估计算法包括：Bartlett波束形成法、Capon最小方差法和多重信号分类(MUSIC)法。Bartlett算法在只有一个信号时是可行的，但当存在多个信号源入射时性能估计会急剧下降，同时，该方法受到旁瓣高度和波束宽度的限制，因此空间分辨率比较低。Capon算法能提供更佳的空间分辨率，但是需要扫描整个空间，寻找空间谱的峰值，同时还需要求解接收信号的协方差矩阵的逆矩阵，计算量非常大，而且若空间中存在与期望信号相关的其他干扰信号，相关的干扰信号会恶性与期望信号合并，导致估计性能急剧下降。

MUSIC算法利用阵列模型计算信号的导向矢量矩阵，利用阵列模型接收的样本数据计算数据协方差矩阵，利用数据协方差矩阵计算噪声子空间的特征向量矩阵，利用信号的导向矢量矩阵和噪声子空间的特征向量矩阵构造空间谱的估计式，通过搜索空间谱的谱峰值，可以找到谱峰值对应的角度，该角度即为波达方向角度，MUSIC算法能够同时对多个信号进行DOA估计并且具有较高的分辨率，但它也需要进行空间谱的谱峰搜索，计算量很大，而且当信源高度相关或者入射角过于接近时，会使计算所得的包含角度信息的噪声子空间的特征向量不准确，导致空间谱估计式的分辨率低，空间谱估计式的分辨率低会使DOA估计精度低。针对MUSIC算法存在的不足，出现了一种改进型的方法，例如授权公告号为CN103546221 B、授权公告日为2015.09.16，名称为“一种宽带相干信号波达角估计方法”的发明专利，利用变换矩阵对不同频点处的协方差矩阵进行变换，构造导向矩阵协方差矩阵；利用导向协方差矩阵估计传播算子和噪声子空间，并进行噪声子空间正交化；采用MUSIC算法计算空间谱并进行波达角估计。该方法针对传统MUSIC算法中信源高度相关时估计精度不高的问题，在不影响非相干信源DOA估计的基础上，提高了对相干信源的估计性能。该方法也存在不足之处：利用中间参数的特征向量，通过谱峰搜索来估计信号的波达方向，对空间谱谱峰搜索增加了运算量，而且因计算过程中的得到的特征向量并不能直接对应源信号的方向矢量，所以当多个信号的入射角过于接近时，该方法的分辨率较低，会使DOA估计精度不高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种基于双层平行圆阵列天线的DOA估计方法，采用阵元在圆周上均匀分布的双层平行圆阵列为信号的接收模型，构造包含源信号空间基底的矩阵，对该矩阵进行特征分解可得到特征值和特征值对应的特征向量，利用该特征值对应源信号的方向元素和方向矢量，可直接求解出源信号的俯仰角和方位角，用于解决现有技术中存在的多个信号的入射角过于接近时DOA估计精度低和因谱峰搜索引起的运算量大的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括如下步骤：