[发明专利]一种基于协方差域零化的均匀线阵波达方向估计方法

说明书

本发明提供了一种基于协方差域零化的均匀线阵波达方向估计方法，具体包括以下步骤：均匀线阵阵列数据接收；构造加权索引矩阵；构造协方差域的数据向量及对应的阵列残差的协方差矩阵；基于常规波束形成法的零化滤波器系数初估计；高斯牛顿算法迭代求解阵列残差和零化滤波器系数；根据零化滤波器系数计算所有信号的波达方向。该方法通过在协方差域进行零化，将阵列多快拍数据压缩为单快拍，相比于阵元域零化，无需进行奇异值分解，降低了计算量，且计算量不会随目标数增大而增大；本发明直接利用多块拍形成的阵列协方差矩阵，不需要对阵列数据进行主成分分析，可避免低信噪比或小快拍数条件下主成分分析性能差导致的波达方向估计精度低的问题。

技术领域

本发明属于阵列信号处理领域，特别涉及对雷达、通信等电磁波和声学机械波信号波达方向的估计，具体是一种适用于均匀线阵的波达方向估计方法。

背景技术

波达方向估计属于阵列信号处理领域的一个重要分支，是用传感器阵列来估计信号源的来波到达方向，广泛应用于雷达、通信、声呐及医学诊断等军用和民用领域。为了对波达方向进行有效估计，研究者们提出了各种阵列构型及其对应波达方向估计算法。对于阵列构型，均匀线阵是阵元等间隔分布的直线阵，属于最基本的结构，是构成其他阵型的基础，有着广泛的应用。对于波达方向估计算法，人们希望其拥有高的估计精度的同时，能保持低的计算量，以便实时应用。

在时域中，零化滤波器理论可以用来对信号的频率进行高分辨估计，有着很好的性能。文献：Pan Y,Luo G Q,Jin H,et al.Direction-of-Arrival Estimation With ULA:A Spatial Annihilating Filter Reconstruction Perspective[J].IEEE Access.2018,6:23172-23179将时域的零化滤波器理论转化进了空域，实现了波达方向估计的功能，其估计性能优于传统的子空间类算法，且无需进行空域搜索。但将时域算法转至空域需要处理多块拍数据的利用问题。由于该算法是一种阵元域零化算法，所以其采取的是提取数据主成分的方法。具体来说是将阵列数据进行奇异值分解，取数量为目标数的最大奇异值对应的奇异值加权后的多个奇异向量作为新的阵列数据，此时快拍数压缩至目标数。但这样做会带来两个问题，一方面奇异值分解增大计算量且主成分分析会导致算法的计算量随目标数增加而增加，另一方面，由于主成分分析在低信噪比及小快拍数时性能较差，从而导致算法在对应场景下估计精度下降。

发明内容

针对现有方法的不足，本发明提出一种基于协方差域零化的均匀线阵波达方向估计方法。相对于阵元域零化算法，该方法可有效降低计算量，同时提高其在低信噪比及小快拍数场景下的估计精度。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于协方差域零化的均匀线阵波达方向估计方法，所述方法包含以下步骤：

(S1)：K个远场窄带不相关信号入射到M阵元均匀线阵，K＜M，对各阵元输出进行匹配滤波得到N个快拍的阵列数据向量n＝1,2,...,N。

(S2)：构造加权索引矩阵

(S3)：构造协方差域的数据向量y及对应的阵列残差的协方差矩阵Σ。

(S4)：对协方差域的数据向量y进行基于常规波束形成法的波达方向估计，并以此对零化滤波器系数进行初估计。

(S5)：根据高斯牛顿算法迭代求解阵列残差ε和零化滤波器系数h。

(S6)：根据迭代求解得到的零化滤波器系数h计算所有信号的波达方向。