基于增强四元数多重信号分类的到达角估计方法.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CN110895325A(43)申请公布日2020.03.20(21)申请号201911187876.0(22)申请日2019.11.28(71)申请人宁波大学地址315211浙江省宁波市江北区宁波大学(72)发明人陈华蒋依凡王维辉章泽昊方嘉雄王伟锋(74)专利代理机构天津市北洋有限责任专利代理事务所12201代理人刘国威(51)Int.Cl.G01S3/00(2006.01)G01S3/14(2006.01)权利要求书3页说明书7页附图1页(54)发明名称基于增强四元数多重信号分类的到达角估计方法(57)摘要本发明涉及雷达信号处理、到达角估计技术，为提出信源的DOA参数估计方法，该方法能够保留不同接收信号分量之间的正交性，还可增大四元数接收模型的维度，进而有效提高DOA估计性能。为此，本发明采取的技术方案是，基于增强四元数多重信号分类的到达角估计方法，首先，将COLD阵列接收数据排列成两个四元数向量，并按列合成一个新的增强四元数向量；其次，基于所述新的增强四元数向量，构建增强四元数协方差矩阵进行四元数特征分解，得到相应的增强四元数噪声子空间；最后，构造空间谱估计器并通过降维秩损的方法获得最终DOA估计。本发明主要应用于雷达信号处理场合。CN110895325ACN110895325A权利要求书1/3页1.一种基于增强四元数多重信号分类的到达角估计方法，其特征是，首先，将COLD阵列接收数据排列成两个四元数向量，并按列合成一个新的增强四元数向量；其次，基于所述新的增强四元数向量，构建增强四元数协方差矩阵进行四元数特征分解，得到相应的增强四元数噪声子空间；最后，构造空间谱估计器并通过降维秩损的方法获得最终DOA估计。2.如权利要求1所述的基于增强四元数多重信号分类的到达角估计方法，其特征是，合成新的增强四元数向量具体步骤如下：对位于x轴的均匀COLD阵列，由M个阵元组成，相邻阵元间距设为d，并取d＝λ/2，λ为波长，对于K个远场区域的窄带非相关信号sk(t)，k＝1,2,…,K，第k个信号的到达角记为θk，αk和βk分别是第k个信号的极化角和相位差，αk∈[0,π/2]，βk∈[0,2π]，对于完全极化信号而言，sk(t)表示成：其中j为复数的虚部。对于COLD阵列，在采样t时第m个阵元的矢量输出：其中，m＝1,2,…M；为第m个阵元噪声矢量，n1m(t)和n2m(t)分别为对应的噪声分量，构造四元数：其中j为四元数的虚部，则阵元输出写为：其中为四元数噪声，将上式写成矩阵形式得到阵元输出矢量：T其中，A＝[a1,…,aK]为阵列流型矩阵，ak＝[a-M(θk),…,1,…,aM(θk)]为第k个信号对应的阵列流型矢量，为四元数形式的极化对角阵矩阵，diag为对角化操T作，s(t)＝[s1(t),…,sK(t)]为信号源矢量，为四元数噪声矢量；同理构造另一个四元数为2CN110895325A权利要求书2/3页此时阵元输出写为：其中nm(t)＝n2m(t)+n1m(t)j为另一种形式的四元数噪声，将上式写成矩阵形式：x(t)＝AQs(t)+n(t)(10)T其中Q＝diag{q1,…,qK}为四元数形式的极化对角阵矩阵，n(t)＝[n0(t),…,nM-1(t)]为四元数噪声矢量。3.如权利要求1所述的基于增强四元数多重信号分类的到达角估计方法，其特征是，降维秩损具体步骤如下：将阵列输出进行扩展，得到增强的四元数矢量：令：为共轭增强的阵列流型矩阵，阵列输出的协方差矩阵为：其中E为求期望，为阵列加性噪声的方差，I2M为单位矩阵，利用接收信号矩阵的快拍数据矩阵对协方差矩阵进行估计并利用协方差矩阵的伴随矩阵进行特征分解得：式(13)中，Λ为伴随矩阵的特征值组成的对角矩阵，U1和U2为含有特征向量信息的分块矩阵，由四元数矩阵及其复伴随矩阵是同构关系，矩阵R的特征分解表示为利用子空间类算法原理，阵列流型导向矢量矩阵张成信号子空间且与噪声子空间正交，得：其中为矩阵的第k列阵列流型向量，令：则矩阵的列向量表示为：3CN110895325A权利要求书3/3页将式(17)带入公式(15)得：定义一个只含有到达角信息的矩阵C(θk)为：则式(17)重新表示为由秩损原理可知，当θ＝θk即角度为真实信号的入射角时，矩阵C(θk)不是满秩矩阵，其行列式等于零，因此构造一维谱峰搜索函数：在给定θ的搜索范围通过一维搜索可以得到f(θ)得极值点，对应为K个信源的DOA估计信息θk,k＝1,…,K。4.如权利要求2所述的基于增强四元数多重信号分类的到达角估计方法，其特征是，具体步骤概括如下：步骤1：由式(7),(10),(11)得到数据矢量z(t)；步骤2：按式(12)计算z(t)的协方差矩阵