一种基于差分共阵的嵌套阵列快速DOA估计方法与装置.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CN111983552A(43)申请公布日2020.11.24(21)申请号202010734907.6(22)申请日2020.07.28(71)申请人南京航空航天大学地址210016江苏省南京市秦淮区御道街29号(72)发明人赖欣(74)专利代理机构南京苏高专利商标事务所(普通合伙)32204代理人李淑静(51)Int.Cl.G01S3/14(2006.01)权利要求书3页说明书7页附图3页(54)发明名称一种基于差分共阵的嵌套阵列快速DOA估计方法与装置(57)摘要本发明提出了一种基于差分共阵的嵌套阵列快速DOA估计方法与装置，方法包括：1)设置天线阵列，通过嵌套阵列对接收信号进行采样；2)计算接收信号的协方差矩阵，并进行矢量化操作；3)按照差分共阵阵元顺序对一维向量进行排序，得到差分共阵的接收信号；4)由差分共阵的接收信号，构造DFT谱，搜索谱峰并计算得到DOA估计的粗估计；5)根据泰勒展开式求解精确的DOA估计。本发明充分利用了嵌套阵列的阵列孔径，通过差分共阵扩展了原物理阵列，通过将DFT粗估计结果代入到泰勒展开式中直接求解高精度的DOA估计，降低了设备成本和计算成本，有效避免了传统DFT方法精估计过程中复杂的相位搜索过程，从而在较小的物理阵元尺寸下实现了高精度的快速DOA估计。CN111983552ACN111983552A权利要求书1/3页1.一种基于差分共阵的嵌套阵列快速DOA估计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)设置天线阵列，通过嵌套阵列对接收信号进行采样；(2)计算接收信号的协方差矩阵，并对其进行矢量化操作，重构为一维向量；(3)按照差分共阵的阵元顺序对一维向量进行排序，得到差分共阵的接收信号；(4)由差分共阵的接收信号，构造DFT谱，搜索谱峰并计算得到DOA估计的粗估计；(5)将DTF粗估计结果代入泰勒展开式并求解精确的DOA估计。2.根据权利要求1所述的基于泰勒展开的嵌套阵列快速DOA估计方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：对于第z个阵元，其接收信号模型为：其中，a(θk)是入射角为θk的信号的方向向量，在时刻t，Sk(t)为第k个信号入射到阵列的信号包络，nz(t)为相互独立的零均值加性高斯白噪声；对于整个阵列而言，有：X(t)＝A(θ)S(t)+N(t)其中，A(θ)为信号的方向向量矩阵，S(t)为信号包络矩阵，N(t)为噪声矩阵；按下式计算得到接收信号协方差矩阵：R＝XXH/J其中J为快拍数；对协方差矩阵进行矢量化操作得到列向量x：x＝vec(R)。3.根据权利要求1所述的基于泰勒展开的嵌套阵列快速DOA估计方法，其特征在于，所述差分共阵的阵元顺序是由嵌套阵列阵元所在位置集合的差集元素与矢量化后的一维向量元素的对应关系得到。4.根据权利要求1所述的基于泰勒展开的嵌套阵列快速DOA估计方法，其特征在于，所述DFT谱由差分共阵的接收信号经DFT变换后得到。5.根据权利要求1所述的基于泰勒展开的嵌套阵列快速DOA估计方法，其特征在于，所述步骤(4)包括：构建归一化DFT矩阵：其中其中M0为差分共阵的阵元数；计算得到DFT空间谱：其中第q个元素表示为：2CN111983552A权利要求书2/3页其中θk表示第k个信号的入射角；搜索P的前k个最大峰值得到初始角度的粗估计：其中K表示信源总数。6.根据权利要求1所述的基于泰勒展开的嵌套阵列快速DOA估计方法，其特征在于，所述步骤(5)包括：将信号模型通过泰勒展开表示为：其中wθ＝Λθp，p为重排序后的信号包络矩阵，Λθ＝diag(ζθ1，...，ζθK)，为初始角度的粗估计，n表示噪声，C表示重排序后的信号方向向量矩阵；通过最小二乘法求解，计算得到：从而计算得到：Λθ＝wθ./p；由下式计算精确的角度估计：7.一种基于差分共阵的嵌套阵列快速DOA估计装置，其特征在于，包括：信号采样模块，用于设置天线阵列，通过嵌套阵列对接收信号进行采样；重构模块，用于计算接收信号的协方差矩阵，并对其进行矢量化操作，重构为一维向量；排序模块，用于按照差分共阵的阵元顺序对一维向量进行排序，得到差分共阵的接收信号；粗估计模块，用于由差分共阵的接收信号，构造DFT谱，搜索谱峰并计算得到DOA估计的粗估计；精估计模块，用于将DTF粗估计结果代入泰勒展开式并求解精确的DOA估计。8.根据权利要求7所述的基于泰勒展开的嵌套阵列快速DOA估计装置，其特征在于，所述差分共阵的阵元顺序是由嵌套阵列阵元所在位置集合的差集元素与矢量化后的一维向量元素的对应关系得到。9.根据权利要求7所述的基于泰勒展开的嵌套阵列快速DOA估计装置，其特征在于，所述DFT谱由差分共阵的接收信号经DFT变换后得到。10.一种计算机设备，其特征在于