基于协方差矩阵拟合阵元扩展的DOA估计方法及系统.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114167346A(43)申请公布日2022.03.11(21)申请号202111384738.9(22)申请日2021.11.22(71)申请人哈尔滨工程大学地址150000黑龙江省哈尔滨市南岗区南通大街145号(72)发明人张光普刘恺忻邹男付进王燕梁国龙邱龙皓郝宇李娜张涵冯志树郭远寒(74)专利代理机构哈尔滨市阳光惠远知识产权代理有限公司23211代理人孙莉莉(51)Int.Cl.G01S3/00(2006.01)G06F17/16(2006.01)权利要求书2页说明书10页附图2页(54)发明名称基于协方差矩阵拟合阵元扩展的DOA估计方法及系统(57)摘要本发明公开了一种基于协方差矩阵拟合阵元扩展的DOA估计方法及系统，其中，该方法包括：通过均匀直线阵列采集互不相关的信号，构建协方差矩阵；确定扩展阵元所使用的协方差拟合准则；利用协方差拟合方法，拟合扩展阵列的协方差矩阵，并根据无噪声信号的协方差矩阵中各数据的幅度和相位控制扩展阵元的拟合协方差矩阵的幅度和相位；简化扩展阵元的拟合协方差的幅度和相位，利用简化后的结果得到最优扩展阵列的拟合协方差矩阵；借助CBF波束形成器，利用最优扩展阵列的拟合协方差矩阵进行目标方位估计。该方法可在不改变均匀直线阵的阵元间距的同时，扩展阵元个数，增加阵列孔径，实现当阵元个数不足时仍然可得到优秀的DOA估计性能。CN114167346ACN114167346A权利要求书1/2页1.一种基于协方差矩阵拟合阵元扩展的DOA估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，通过均匀直线阵列采集互不相关的信号，以构建协方差矩阵；步骤S2，利用协方差拟合方法对所述协方差矩阵进行阵元扩展，得到最优扩展阵列的拟合协方差矩阵；步骤S3，借助CBF波束形成器，利用所述最优扩展阵列的拟合协方差矩阵进行目标方位估计。2.根据权利要求1所述的基于协方差矩阵拟合阵元扩展的DOA估计方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：步骤S201，确定扩展阵元所使用的协方差拟合准则；步骤S202，利用协方差拟合方法拟合扩展阵元的协方差矩阵，并根据无噪声信号的协方差矩阵中各数据的幅度和相位来控制扩展阵元的拟合协方差矩阵的幅度和相位；步骤S203，简化所述扩展阵元的拟合协方差的幅度和相位，利用简化后的结果得到扩展阵元后的最优扩展阵列的拟合协方差矩阵。3.根据权利要求2所述的基于协方差矩阵拟合阵元扩展的DOA估计方法，其特征在于，所述协方差拟合准则为：其中，Rx为协方差矩阵，为待拟合协方差矩阵，为协方差矩阵的信号分量，为K个目标的阵列流行向量，为信号功率，为阵列流行向量的共轭转置，为噪声功率，Tr(A)为矩阵A的迹，即A的对角线之和，ming()为求取函数g()的最小值。4.根据权利要求2所述的基于协方差矩阵拟合阵元扩展的DOA估计方法，其特征在于，所述步骤S203中采用一阶泰勒展开式cosx→1，sinx→x和arctanx→x对无噪声信号的协方差矩阵中各数据的幅度和相位进行化简，再利用简化结果约束扩展阵元后的拟合协方差矩阵的相位和幅度，并求解最优扩展阵列的拟合协方差矩阵。5.根据权利要求1所述的基于协方差矩阵拟合阵元扩展的DOA估计方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：步骤S301，选取多个空间角度；步骤S302，通过所述最优扩展阵列的拟合协方差矩阵分别求解所述多个空间角度下的CBF波束形成器的输出功率，将最大值输出功率对应的空间角度作为目标估计方位。6.一种基于协方差矩阵拟合阵元扩展的DOA估计系统，其特征在于，包括：采集模块，用于通过均匀直线阵列采集互不相关的信号，以构建协方差矩阵；扩展模块，用于利用协方差拟合方法对所述协方差矩阵进行阵元扩展，得到最优扩展阵列的拟合协方差矩阵；目标方位估计模块，用于借助CBF波束形成器，利用所述最优扩展阵列的拟合协方差矩阵进行目标方位估计。7.根据权利要求6所述的基于协方差矩阵拟合阵元扩展的DOA估计系统，其特征在于，2CN114167346A权利要求书2/2页所述扩展模块具体包括：确定单元，用于确定扩展阵元所使用的协方差拟合准则；扩展单元，用于利用协方差拟合方法拟合扩展阵元的协方差矩阵，并根据无噪声信号的拟合协方差矩阵中各数据的幅度和相位来控制所述扩展阵元的拟合协方差矩阵的幅度和相位；简化单元，用于简化所述扩展阵元的拟合协方差的幅度和相位，利用简化后的结果得到扩展阵元后的最优扩展阵列的拟合协方差矩阵。8.根据权利要求7所述的基于协方差矩阵拟合阵元扩展的DOA估计系统，其特征在于，所述协方差拟合准则为：其中，Rx为协方差矩阵，为待拟合协方差矩阵，为协方差矩阵的信号分量，为K个目标的阵列流行向量，为信号功率，为阵列流行向量的共