[发明专利]基于解相干协方差张量重建的相干信号源波达方向估计方法

说明书

本发明公开了一种基于解相干协方差张量重建的相干信号源波达方向估计方法，主要解决因相干信号这一非理想场景对张量波达方向估计造成的性能骤降问题，以及现有方法对多维相干信号张量统计量解相干效率低、效果差的问题，其实现步骤是：构建关于坐标系原点对称的均匀平面阵列；相干信号的张量建模；相干信号协方差张量推导和张量化Hermitian Toeplitz映射关系构建；解相干协方差张量的结构化重建；通过解相干协方差张量canonical polyadic分解获得波达方向估计结果。本发明在无需引入空间平滑的条件下，利用相干信号协方差张量的结构化映射直接重建得到解相干协方差张量，实现了高效率、高精度的相干信号二维波达方向估计，可用于多径环境下的目标测向与定位。

技术领域

本发明属于阵列信号处理技术领域，尤其涉及相干信号源的高维张量统计信号处理技术，具体是一种基于解相干协方差张量重建的相干信号源波达方向估计方法，可用于多径环境下的目标测向与定位。

背景技术

在雷达、声呐、无线通信、医学成像、射电天文等各类应用中，波达方向估计是实现目标测向定位、导航及成像的核心技术。然而，在实际环境中，由于目标信号源传播过程中存在路径散射，传感器阵列将接收到目标信号源经过多径衰减后产生的多个相干(Coherent)信号。这些相干信号所对应的统计分布互不独立，导致阵列所接收信号的高阶统计量存在秩亏问题。因此，传统面向非相干信号的波达方向估计方法，例如MUSIC、ESPRIT等，无法对相干信号进行有效的统计处理。为了实现相干信号统计量的解相干，空间平滑、Toeplitz矩阵重建等方法对相干信号统计量进行秩补偿，以构造满秩的解相干协方差矩阵，进而实现相干信号的波达方向估计。然而，随着应用场景的革新，传感器阵列所感知信号的维度不断增加，而现有方法主要以矢量和矩阵进行信号建模与处理，无法保留多维信号的原始特征，造成了波达方向估计的性能损失。

为了保留多维接收信号的结构化信息，张量作为矢量和矩阵的多维拓展形式，开始被应用于阵列信号处理领域。利用张量对涵盖多维时空信息的接收信号进行建模，并对张量信号进行特征分析和空间信息提取，能够实现高精度、高分辨的波达方向估计。针对多维相干信号的波达方向估计问题，张量空间平滑方法将传统空间平滑思路拓展至高维空间，利用一个平滑窗口对多维相干信号进行序贯平移截取，平均化截取信号的高阶协方差张量，以此解决相干信号张量统计量的秩亏问题。然而，这种张量解相干方法需要重复引入多维相干信号的高阶张量统计计算，不仅带来了更高的计算复杂度，而且因为累加所截取信号的高阶协方差张量而引入了额外的高阶统计量误差，在波达方向估计效率和精度上均存在明显的性能缺陷。为此，当前亟需提出一种更加有效的张量解相干手段，以实现高精度、高效率的多维相干信号波达方向估计。

发明内容

本发明的目的在于针对现有方法存在的多维相干信号张量统计量解相干效率低、效果差等问题，提出一种基于解相干协方差张量重建的相干信号源波达方向估计方法，为利用相干信号张量统计量的先验结构特性进行解相干协方差张量的直接重建，实现高效率、高精度的相干信号二维波达方向估计，提供可行的思路和有效的解决方案。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于解相干协方差张量重建的相干信号源波达方向估计方法，该方法包含以下步骤：

(1)接收端使用(2M+1)×(2N+1)个物理天线阵元，架构一个关于坐标系原点对称的均匀平面阵列

(2)假设有K个来自{(θ₁，φ₁)，(θ₂，φ₂)，…，(θ_K，φ_K)}方向的远场窄带相干信号源，θ_k和φ_k分别为第k个入射信号源的方位角和俯仰角，k＝1，2，…，K；这K个信号源具有相干特性，即它们所对应信号波形的统计分布互不独立，具体而言，将第1个信号源的f个快拍采样信号波形表示为并作为参考信号源，则第k个信号源的信号波形表示为：