[发明专利]一种基于求根Capon的二维DOA估计方法

说明书

本发明公开了一种基于求根Capon的二维DOA估计方法。本发明实现的步骤如下：首先，双平行阵列接收信号并对其进行采样处理；其次，对采样信号求解协方差矩阵，得到与协方差矩阵相关的二维Capon空间谱函数；然后，将空间谱函数分母的改进式取为求根Capon算法的代价函数，并将其转化为一维多项式；最后，对该一维多项式求根，利用二维角度的对应关系求得自动配对的信号源仰角和方位角。本发明解决了二维Capon算法进行谱峰搜索带来的巨大计算量问题，同时继承了Capon算法不需要信源数的先验信息的优点，减少了DOA估计时间，有效提升了对信源方向的估计效率，在实际中可以得到良好的应用。

技术领域

本发明涉及DOA估计技术领域，尤其涉及一种基于求根Capon的二维DOA估计方法。

背景技术

阵列信号处理是信号处理的重要分支，在通信、雷达、声呐、地震勘探和天文等领域都取得了迅速发展和广泛应用。阵列信号处理利用按照一定方式分布的传感器阵列接收空间信号，并对其进行处理，其目的在于提取信号中有用的信息。DOA估计，即空间信号到达方向的问题，是阵列信号处理中的一个基本问题，它同时也是雷达、声呐等许多领域的重要任务之一，其内容是确定某一时刻某区域内一个或多个目标信号的位置(各信号到达阵列参考阵元的方向角，即波达方向)。现如今，一维DOA估计理论发展较为成熟，实际中，二维DOA应用场景更为丰富，因此对二维DOA算法进行研究有重要意义。

Capon算法是DOA估计中较为常用的一种算法，该算法通过对与信号协方差矩阵以及阵列方向矢量相关的空间谱函数进行二维谱峰搜索，得到信源方向角的估计结果。与其他需要进行谱峰搜索的DOA算法(如Music算法)相比，该算法的优点在于不需要信源个数的先验信息，工程实现较为容易；但由于涉及复杂的二维谱峰搜索，Capon算法需要耗费大量时间与存储资源，使得DOA估计的效率低下，限制了Capon算法在实际当中的应用。因此，寻求避免计算量大的谱峰搜索、提高算法运算效率的解决方法是DOA估计的一个重要问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种基于求根Capon的二维DOA估计方法，利用一维多项式求根的方法，避免了经典Capon算法需要进行复杂二维谱峰搜索的问题，大大减少了DOA估计的计算量，提升了对信源位置的估计效率。我们证明本发明在保持较好的DOA估计性能的情况下，能够大幅减少运算时间，提升DOA估计效率，易于工程实现。

本发明为实现上述目的提供以下技术方案：

一种基于求根Capon的二维DOA估计方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：观测站的双平行阵列接收信号源的发射信号，并对接收信号进行采样处理；

步骤二：求解采样信号的协方差矩阵，得到与协方差矩阵以及阵列方向矢量相关的二维Capon空间谱函数；

步骤三：将Capon二维空间谱函数的分母的改进式取为求根Capon算法的代价函数，并将其转化为一维多项式；

步骤四：对该一维多项式求根，利用二维角度的对应关系求得自动配对的信号源仰角和方位角。

进一步的，D个信源辐射到阵元数为2M的双平行线阵上时，单个信源对应的仰角及方位角为θ_d和阵元间距为d，则双平行阵列中两个子阵在t时刻的接收信号分别为

式中，n_x(t)和n_y(t)分别是两个子阵列的加性高斯白噪声，其均值为零。阵列流形A＝[a₁,a₂,…,a_D](阵列方向矢量为a_d,d＝1,...,D)，Ψ满足

则双平行阵列接收信号为