一种基于Toeplitz矩阵重构和矩阵填充的互质阵相干信号DOA估计方法.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CN113820655A(43)申请公布日2021.12.21(21)申请号202111110297.3(22)申请日2021.09.18(71)申请人宜宾电子科技大学研究院地址644000四川省宜宾市翠屏区长江北路西段附二段电子科技大学宜宾研究院申请人电子科技大学(72)发明人周凡徐政五廖强甘露(74)专利代理机构成都点睛专利代理事务所(普通合伙)51232代理人孙一峰(51)Int.Cl.G01S3/14(2006.01)G06F17/16(2006.01)权利要求书1页说明书3页附图2页(54)发明名称一种基于Toeplitz矩阵重构和矩阵填充的互质阵相干信号DOA估计方法(57)摘要本发明属于信号处理技术领域，涉及一种基于Toeplitz矩阵重构的互质阵相干信号DOA估计方法。本发明首先得到接收信号，然后求接收信号的二阶统计量得到接收信号的差分虚拟阵列，然后对虚拟阵列进行矩阵填充处理和应用Toeplitz矩阵重构的方法实现对相干信号的DOA估计。本发明所提算法拥有良好的测向性能，相比于同等阵元数目的均匀阵有更高的DOA估计精度。CN113820655ACN113820655A权利要求书1/1页1.一种基于Toeplitz矩阵重构和矩阵填充的互质阵相干信号DOA估计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、令得到的互质阵接收信号为：x(t)＝As(t)+n(t)其中，A表示阵列信号方向矩阵，s(t)表示信源信号矩阵，n(t)表示噪声矩阵；S2、通过阵列接收信号得到其二阶统计量：HH其中，E[·]表示求期望，Rs表示信源信号s(t)的二阶统计量E[s(t)s(t)]，(·)表示*T求共轭转置，表示噪声功率，IN表示N阶单位矩阵，(·)表示求共轭，(·)表示求转置；S3、将Rx向量化得到y，y对应于接收信号差分共阵列的虚拟阵元：其中⊙表示矩阵的Khatri‑Rao积，vec(·)表示矩阵的向量化，M×1ei∈R除了第i个元素为1，其余元素均为0，i＝1,…,M，M为互质阵的阵元数量；S4、对虚拟阵列y中缺失的部分补0，得到均匀阵；S5、基于Toeplitz矩阵重构对y进行矩阵重构处理得到矩阵R(y)；S6、用核范数最小化的方法对矩阵R(y)中的0元素进行矩阵恢复得到R1(y)；S7、计算*其中，yi表示虚拟阵列y第i个非零元素，(·)表示求共轭；S8、计算其中，∑(·)表示求和；S9、计算其中J表示反对角线上元素为1，其余位置元素为0的矩阵；S10、对矩阵RM应用MUSIC算法进行DOA估计，获得DOA估计结果。2CN113820655A说明书1/3页一种基于Toeplitz矩阵重构和矩阵填充的互质阵相干信号DOA估计方法技术领域[0001]本发明属于信号处理技术领域，涉及一种基于Toeplitz矩阵重构的互质阵相干信号DOA估计方法。背景技术[0002]高分辨率波达方向(DOA)估计是阵列处理中的一个主要研究问题，并且广泛应用于雷达、声纳和无线通信领域。许多基于子空间的算法，包括多信号分类(MUSIC)算法和信号参数估计的旋转不变性(ESPRIT)算法可以为不相关信号提供高精度的波达方向估计，但在存在相干或高度相关信号时，由于协方差矩阵的秩损失而导致的信号环境变差，性能会严重下降。解决这个问题的一个有效方法是空间平滑(SS)技术及其变体，如前向空间平滑(FOSS)和前后向(FBSS)空间平滑。这些方法将阵列分成若干组，其中包含重叠的子阵列，子阵协方差矩阵的平均值采用恢复满秩的方法对相干信号进行分解测向与基于子空间的算法相结合。但是，子阵的数目是由预先确定的信号源的数目决定的，这将有效减少孔径大小，因此对于近距离接收信号分辨率降低。[0003]互质阵在均匀阵阵的基础上进行了阵列阵型的改进，在增加自由度的同时减少了互耦合，相比于均匀阵拥有更好的测向性能。然而，传统的空间平滑算法进行相干信号DOA估计只适用于均匀阵。发明内容[0004]为了能够使用互质阵对相干信号取得更好的DOA估计效果，本发明结合Toeplitz矩阵重构和矩阵填充的方法提出了一种新的DOA估计方法，并取得了较好的测向性能。首先得到互质阵接收信号，然后求接收信号的二阶统计量得到接收信号的差分虚拟阵列，然后对虚拟阵列进行矩阵填充处理和运用Toeplitz矩阵重构的方法实现对相干信号的DOA估计。本发明所提算法拥有良好的测向性能，相比于同等阵元数目的均匀阵有更高的DOA估计精度。[0005]为了便于理解，对本发明采用的技术作如下说明：[0006]本发明中使用的接收阵列为互质阵，互质阵是一类经典的非均匀稀疏阵，该阵列由两个子阵构成，共有M个阵元，M＝M1+M2‑1，且M1和M2互质，M1<M2。子阵