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相干信號(hào)源亞分辨率超分辨到達(dá)角估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于相干信號(hào)源到達(dá)角估計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及相干信號(hào)源亞分辨率超分辨到達(dá)角估計(jì)方法。該相干信號(hào)源亞分辨率超分辨到達(dá)角估計(jì)方法包括以下步驟：利用雷達(dá)的接收陣列接收相干信號(hào)源的回波信號(hào)Y，所述雷達(dá)的接收陣列為具有M個(gè)陣元的均勻線陣；M>K，K為回波信號(hào)Y對(duì)應(yīng)的相干信號(hào)源的個(gè)數(shù)；建立關(guān)于回波信號(hào)Y的信號(hào)模型，所述關(guān)于回波信號(hào)Y的信號(hào)模型包括兩個(gè)待求解的矩陣：方向矩陣D和信號(hào)稀疏矩陣S；由關(guān)于回波信號(hào)Y的信號(hào)模型，建立關(guān)于方向矩陣D和信號(hào)稀疏矩陣S的代價(jià)函數(shù)；求解步驟S4中的代價(jià)函數(shù)，得出方向矩陣D和信號(hào)稀疏矩陣S；根據(jù)方向矩陣D中主對(duì)角線上的非零元素、以及每個(gè)相干信號(hào)源的到達(dá)角的初始估計(jì)值，得出各個(gè)相干信號(hào)源的到達(dá)角。
【專利說明】相干信號(hào)源亞分辨率超分辨到達(dá)角估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于相干信號(hào)源到達(dá)角估計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及相干信號(hào)源亞分辨率超分辨到達(dá)角估計(jì)方法，能夠在低信噪比低快拍相干源的到達(dá)角估計(jì)中提高小于分辨率的到達(dá)角的估計(jì)精度。
【背景技術(shù)】
[0002]空間信號(hào)的到達(dá)角估計(jì)與時(shí)間信號(hào)的頻率估計(jì)十分相似。在理論上，他們均可表述為基本的非線性參數(shù)問題。因此，時(shí)域非線性信號(hào)處理技術(shù)在空域處理上的推廣曾成為熱點(diǎn)問題，許多時(shí)域非線性譜估計(jì)方法推廣成為空域譜估計(jì)方法，于是便產(chǎn)生了所謂的高分辨譜估計(jì)技術(shù)，即超分辨到達(dá)角估計(jì)技術(shù)，它能突破并進(jìn)一步改善一個(gè)波束寬度內(nèi)的空間不同來向的分辨能力。然而在實(shí)際工程運(yùn)用中，例如在米波雷達(dá)低仰角估計(jì)時(shí)，就遇到在低快拍，低信噪比和相干信源的情形下對(duì)仰角估計(jì)的問題。
[0003]在實(shí)際中提出了很多關(guān)于求解到達(dá)角的方法，如多重信號(hào)分類(MUSIC)，旋轉(zhuǎn)不變子空間(ESPRIT)等方法，但對(duì)于相干信號(hào)源的到達(dá)角估計(jì)，相干信號(hào)源信號(hào)子空間與噪聲子空間相互滲透，故不能對(duì)相干信號(hào)源進(jìn)行有效分辨或測(cè)向。當(dāng)前對(duì)相干信號(hào)源的處理方法，如空間平滑技術(shù)，其對(duì)相干信號(hào)源到達(dá)角估計(jì)有理想的效果，但它通過犧牲有效陣元數(shù)來換取的，對(duì)陣列孔徑有一定的損失，且在低信噪比時(shí)此方法的性能較差；Toeplitz技術(shù)，具有估計(jì)的到達(dá)角偏差較大的缺點(diǎn)。因此，相干信號(hào)源的估計(jì)問題始終是一個(gè)十分棘手的問題，它也始終是空間譜估計(jì)中研究的熱點(diǎn)問題。
[0004]對(duì)于低快拍的問題，通常的到達(dá)角估計(jì)是基于理想情況下進(jìn)行的，但在工程應(yīng)用場(chǎng)合中各種各樣的誤差不可避免，因此，當(dāng)實(shí)際模型與假設(shè)模型不符合時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)有限數(shù)據(jù)長(zhǎng)度快拍的問題，許多基于理想模型基礎(chǔ)上的到達(dá)角方法的性能將嚴(yán)重下降。有限數(shù)據(jù)長(zhǎng)度快拍對(duì)模型的影響在于，當(dāng)快拍數(shù)小時(shí)，信號(hào)與噪聲沒有足夠的時(shí)間解相關(guān)，噪聲協(xié)方差矩陣也沒有收斂，只有當(dāng)快拍數(shù)大或信噪比高時(shí)，有限數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的影響才可以忽略。如何消除這些誤差的影響，使估計(jì)到達(dá)角方法在應(yīng)用中具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性是到達(dá)角方法實(shí)用化的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
[0005]亞分辨率問題，這個(gè)問題描述為當(dāng)使用搜索算法來求解到達(dá)角時(shí)，如果一味地對(duì)細(xì)化搜索間隔，就會(huì)造成運(yùn)量大的問題；而當(dāng)把搜索間隔變粗時(shí)，又會(huì)造成到達(dá)角估計(jì)的不精確，亞分辨率問題就是當(dāng)實(shí)際的到達(dá)角在兩次相鄰搜索樣點(diǎn)之間時(shí)，再不增加運(yùn)算量的前提下，求出真實(shí)的到達(dá)角，就是亞分辨率問題。
[0006]一類基于稀疏信號(hào)重構(gòu)的方法被提出，這類方法快速的被應(yīng)用到到達(dá)角估計(jì)的問題上，在低信噪比和快拍數(shù)較少的環(huán)境下提供了一種有效的解決方法。該算法在低快拍下更具有優(yōu)勢(shì)，該算法隨著快拍數(shù)的增多可以提高估計(jì)效果，此外建立模型時(shí)并未要求信號(hào)源是相互獨(dú)立的，因此對(duì)空域信號(hào)的相關(guān)性不敏感，可以直接用于相干信號(hào)的到達(dá)角估計(jì)，且具有更高的角度分辨力。但當(dāng)實(shí)際的到達(dá)角在兩次相鄰搜索樣點(diǎn)之間時(shí)，此時(shí)需要解決到達(dá)角的亞分辨率的問題。這樣一個(gè)問題，有學(xué)者提出了一種基于稀疏貝葉斯表示(SBI)的亞分辨率到達(dá)角估計(jì)的方法，該方法能夠有效、準(zhǔn)確的估計(jì)當(dāng)?shù)竭_(dá)角在兩次相鄰搜索樣點(diǎn)之間的到達(dá)角，但這個(gè)方法需較高的信噪比，且其運(yùn)算量也較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于針對(duì)稀疏貝葉斯表示(SBI)的亞分辨率到達(dá)角估計(jì)技術(shù)的不足，提出相干信號(hào)源亞分辨率超分辨到達(dá)角估計(jì)方法，在低信噪比、低快拍情況下，就能夠很好的解決亞分辨率的相干源到達(dá)角估計(jì)問題。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0009]相干信號(hào)源亞分辨率超分辨到達(dá)角估計(jì)方法包括以下步驟:
[0010]S1:利用雷達(dá)的接收陣列接收相干信號(hào)源的回波信號(hào)Y，所述雷達(dá)的接收陣列為具有M個(gè)陣元的均勻線陣；M>K，K為回波信號(hào)Y對(duì)應(yīng)的相干信號(hào)源的個(gè)數(shù)；
[0011]S2:建立關(guān)于回波信號(hào)Y的信號(hào)模型，所述關(guān)于回波信號(hào)Y的信號(hào)模型包括兩個(gè)待求解的矩陣:方向矩陣D和信號(hào)稀疏矩陣S ；
[0012]S3:由關(guān)于回波信號(hào)Y的信號(hào)模型，建立關(guān)于方向矩陣D和信號(hào)稀疏矩陣S的代價(jià)函數(shù)；
[0013]S4:求解步驟S4中的代價(jià)函數(shù)，得出方向矩陣D和信號(hào)稀疏矩陣S ；
[0014]S5:根據(jù)方向矩陣D中主對(duì)角線上的非零元素，得出各個(gè)相干信號(hào)源的到達(dá)角。
[0015]本發(fā)明的特點(diǎn)和進(jìn)一步改進(jìn)在于:
[0016]所述步驟S2具體包括以下步驟:
[0017]設(shè)落在雷達(dá)搜索樣點(diǎn)上的采樣到達(dá)角共有N個(gè)，N>M;將落在雷達(dá)搜索樣點(diǎn)上的第η個(gè)采樣到達(dá)角表示為，則將落在雷達(dá)搜索樣點(diǎn)上的所有N個(gè)采樣到達(dá)角表示為集合
【權(quán)利要求】
1.相干信號(hào)源亞分辨率超分辨到達(dá)角估計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟: 51:利用雷達(dá)的接收陣列接收相干信號(hào)源的回波信號(hào)Y，所述雷達(dá)的接收陣列為具有M個(gè)陣元的均勻線陣；M>K，K為回波信號(hào)Y對(duì)應(yīng)的相干信號(hào)源的個(gè)數(shù)； 52:建立關(guān)于回波信號(hào)Y的信號(hào)模型，所述關(guān)于回波信號(hào)Y的信號(hào)模型包括兩個(gè)待求解的矩陣:方向矩陣D和信號(hào)稀疏矩陣S ；53:由關(guān)于回波信號(hào)Y的信號(hào)模型，建立關(guān)于方向矩陣D和信號(hào)稀疏矩陣S的代價(jià)函數(shù)； 54:求解步驟S4中的代價(jià)函數(shù)，得出方向矩陣D和信號(hào)稀疏矩陣S ； 55:根據(jù)方向矩陣D中主對(duì)角線上的非零元素，得出各個(gè)相干信號(hào)源的到達(dá)角。
2.如權(quán)利要求1所述的相干信號(hào)源亞分辨率超分辨到達(dá)角估計(jì)方法，其特征在于，所述步驟S2具體包括以下步驟: 設(shè)落在雷達(dá)搜索樣點(diǎn)上的采樣到達(dá)角共有N個(gè)，N>M ;將落在雷達(dá)搜索樣點(diǎn)上的第η個(gè)采樣到達(dá)角表示為~φη，則將落在雷達(dá)搜索樣點(diǎn)上的所有N個(gè)采樣到達(dá)角表示為集合^，φ 二 {φ1,...,φn,...,φΝ}，η 取 I 至 N ; 當(dāng)雷達(dá)的接收陣列的陣元個(gè)數(shù)M為偶數(shù)時(shí)，

3.如權(quán)利要求2所述的相干信號(hào)源亞分辨率超分辨到達(dá)角估計(jì)方法，其特征在于，所述步驟S3具體包括以下步驟: 將回波信號(hào)Y中K個(gè)最大的奇異值對(duì)應(yīng)的左特征向量按列排列，形成左信號(hào)矩陣Us;設(shè)立K階對(duì)角矩陣Λ s,回波信號(hào)Y的K個(gè)最大的奇異值按照從大到小的順序依次排列在對(duì)角矩陣As的主對(duì)角線上；令
4.如權(quán)利要求3所述的相干信號(hào)源亞分辨率超分辨到達(dá)角估計(jì)方法，其特征在于，所述步驟S4具體包括以下步驟: 541:將方向矩陣D的初始取值設(shè)置為D(O);設(shè)置迭代參數(shù)i，i=l, 2，3...;當(dāng)i=l時(shí)，執(zhí)行步驟S42 ； 542:令
5.如權(quán)利要求4所述的相干信號(hào)源亞分辨率超分辨到達(dá)角估計(jì)方法，其特征在于，在步驟S44中，根據(jù)以下公式得出方向矩陣D的第i次迭代取值D(i):
6.如權(quán)利要求4所述的相干信號(hào)源亞分辨率超分辨到達(dá)角估計(jì)方法，其特征在于，在步驟S44中，根據(jù)以下公式得出方向矩陣D的第i次迭代取值D(i):
D(i)=diag(d(i))
7.如權(quán)利要求2所述的相干信號(hào)源亞分辨率超分辨到達(dá)角估計(jì)方法，其特征在于，所述步驟S5具體包括以下步驟:方向矩陣D中主對(duì)角線上的非零元素共有K個(gè)，將方向矩陣D中主對(duì)角線上的非零元素篩選出來，方向矩陣D中主對(duì)角線上的第k個(gè)非零元素表示為Dk，k取I至K ;Dk是方向矩陣D中主對(duì)角線上的第k’個(gè)元素，1≤k’≤N;則根據(jù)以下公式求解得出第k個(gè)相干信號(hào)源的到達(dá)角θ k: Dk = θk - φk'。
【文檔編號(hào)】G01S3/46GK103901396SQ201410126617
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】陳伯孝, 楊明磊, 趙善軍, 雷文英 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)