一种基于压缩感知的互质阵列高精度波达方向估计方法.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CN106896340A(43)申请公布日2017.06.27(21)申请号201710041947.0(22)申请日2017.01.20(71)申请人浙江大学地址310058浙江省杭州市西湖区余杭塘路866号(72)发明人周成伟史治国陈积明(74)专利代理机构杭州求是专利事务所有限公司33200代理人刘静邱启旺(51)Int.Cl.G01S3/00(2006.01)权利要求书1页说明书5页附图2页(54)发明名称一种基于压缩感知的互质阵列高精度波达方向估计方法(57)摘要本发明公开了一种基于压缩感知的互质阵列高精度波达方向估计方法，主要解决现有技术中估计精度与计算复杂度之间的矛盾，其实现步骤是：(1)接收端天线按照互质阵列结构进行架构；(2)利用互质阵列接收入射信号；(3)构造压缩感知核；(4)利用压缩感知核实现接收信号的压缩，得到互质阵列接收信号的轮廓信号；(5)计算压缩后轮廓信号的协方差矩阵；(6)计算轮廓信号所对应的导引向量；(7)根据轮廓信号的协方差矩阵及其对应的导引向量计算轮廓信号空间功率谱；(8)通过谱峰搜索获得波达方向估计结果。本发明充分利用了互质阵列的大阵列孔径特性和压缩感知技术，在降低计算复杂度的同时实现高精度的波达方向估计，可用于无源定位和目标探测。CN106896340ACN106896340A权利要求书1/1页1.一种基于压缩感知的互质阵列高精度波达方向估计方法，其特征在于，包含以下步骤：(1)接收端使用M+N-1个天线，并按照互质阵列结构进行架构；其中M与N为互质整数。(2)利用互质阵列接收D个远场窄带非相干信号源的入射信号，得到(M+N-1)×1维互质阵列接收信号x(k)，共采集K个采样快拍得到X＝[x(1),x(2),…,x(K)]。(3)构造一个压缩感知核Φ：Φ是一个Q×(M+N-1)维矩阵；其中Q为压缩系数，满足Q<<M+N-1且Q>D；Φ中的元素随机生成，且满足行正交的条件。(4)利用压缩感知核将(M+N-1)×1维互质阵列接收信号x(k)以随机投影的方式压缩为Q×1维轮廓信号y(k)，即y(k)＝Φx(k)；对于K个采样快拍得到Y＝[y(1),y(2),…,y(K)]。(5)根据K个采样的轮廓信号计算Q×Q维轮廓信号采样协方差矩阵(6)计算轮廓信号所对应的Q×1维导引向量d(θ)：d(θ)＝Φa(θ)，其中a(θ)为(M+N-1)×1维非均匀互质阵列的导引向量，可表示为上式中,ui,i＝1,2,…,M+N-1为互质阵列的天线阵元位置，λ为入射窄带信号波长。(7)计算轮廓信号所对应的空间功率谱p，其中x轴为假定的来波信号方向θ，y轴为空间功率谱响应值：其中(·)H表示共轭转置操作，(·)-1表示求逆操作。(8)通过谱峰搜索的方式，寻找轮廓信号空间功率谱的峰值，并将其响应值从大到小排列，前D个峰值所对应的x轴角度方向即为波达方向估计结果。2.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知的互质阵列高精度波达方向估计方法，其特征在于：步骤1所述的互质阵列具体结构为：互质阵列由一对稀疏均匀线性子阵列组合而成，第一个子阵列包含M个天线阵元，且阵元间距为Nd；第二个子阵列包含N个天线阵元，且阵元间距为Md；d为入射窄带信号波长λ的一半。将两个子阵列以首个天线阵元重叠的方式进行组合，得到包含M+N-1个天线阵元的互质阵列结构。3.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知的互质阵列高精度波达方向估计方法，其特征在于：步骤5所述的轮廓信号采样协方差矩阵计算方法为：也可以通过以下计算方法等价得到：其中为互质阵列接收信号的采样协方差矩阵，可表示为：2CN106896340A说明书1/5页一种基于压缩感知的互质阵列高精度波达方向估计方法技术领域[0001]本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及对雷达信号、声学信号及电磁信号的波达方向估计，具体是一种基于互质阵列接收信号压缩感知的高精度波达方向估计方法，可用于无源定位和目标探测。背景技术[0002]波达方向(Direction-of-Arrival,DOA)估计是阵列信号处理领域的一个重要分支，它是指利用阵列天线接收空域信号，并通过现代信号处理技术和各类优化方法实现对接收信号统计量进行有效处理，以实现信号的DOA估计，在雷达、声呐、语音、无线通信等领域有着重要的应用价值。[0003]估计精度是DOA估计性能的一个重要衡量指标，高精度的估计结果不但能够为实际系统提供有效的来波信号方向信息，更能够通过点对点的精确传输节省整体系统开销。现有的DOA估计方法通常采用均匀线性阵列进行信号的接收与建模，且阵元间的间距需要满足小于等于半波长的条件以避免相位模糊问题。由于DOA估计的精度与阵列孔径成正比，为了提高估计精度，