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基于平面陣的二維波達(dá)方向估計方法和估計器的制造方法
【專利摘要】本申請涉及一種基于平面陣的二維波達(dá)方向估計方法和估計器。二維波達(dá)方向估計方法包括：構(gòu)建所述平面陣接收信號基于第一波達(dá)方向α和第二波達(dá)方向β的解耦模型F＝AL(α)G(β)+N，其中F為平面陣接收信號，AL(α)為與第一波達(dá)方向α相關(guān)的流形矩陣，G(β)為與第二波達(dá)方向β相關(guān)的信號矩陣，N為噪聲信號矩陣；在α域稀疏性前提下，對平面陣接收信號F進(jìn)行α域稀疏重建，獲得α域稀疏信號的支撐集，以得到α估計值；以及在β域稀疏性前提下，對信號矩陣G(β)中與α估計值對應(yīng)的行矢量進(jìn)行β域稀疏重建，獲得β域稀疏信號的支撐集，以得到與所述α估計值對應(yīng)的β估計值。本申請利用入射信號在α域和β域的空域稀疏性，依次估計α和β，大幅降低了計算復(fù)雜度。
【專利說明】基于平面陣的二維波達(dá)方向估計方法和估計器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請涉及基于平面陣的二維波達(dá)方向估計方法和估計器。
【背景技術(shù)】
[0002]在電磁波信號或聲信號處理例如雷達(dá)、麥克風(fēng)陣列等應(yīng)用場景中，需要通過天線陣列分析接收到的多通道電磁信號或聲信號，從而估計入射信號的波達(dá)方向(Direction-of-arrival, D0A)。
[0003]現(xiàn)有的DOA估計方法一般基于一維波達(dá)方向DOA估計，可以分成如下四大類:波束形成類算法，子空間類算法，最大似然算法，以及基于稀疏信號重建(Sparse signalreconstruction, SSR)的方法。其中基于稀疏信號重建的方法對空間譜施加稀疏約束，把波達(dá)方向估計問題看成一個稀疏重建問題來求解，相對其他算法有著諸多優(yōu)勢，例如更高的分辨率和對低快拍數(shù)、低信噪比、相干源入射等應(yīng)用環(huán)境下具有更高的穩(wěn)健性。
[0004]然而在實際應(yīng)用中一般需要估計兩個到達(dá)角即需要解決二維波達(dá)方向估計問題?；谙∈栊盘栔亟ǖ姆椒ㄔ谕茝V至二維波達(dá)方向估計問題時，冗余字典的維數(shù)急劇上升從而計算復(fù)雜度劇烈增大，限制了基于稀疏信號重建的方法在實際場景中的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本申請的目的是提供基于平面陣的二維波達(dá)方向估計方法和估計器，能夠利用入射信號在α域和β域的空域稀疏性，依次估計α和β，大幅降低二維波達(dá)方向估計的計
算復(fù)雜度。
[0006]根據(jù)本申請的一個方面，公開了一種基于平面陣的二維波達(dá)方向估計方法，包括:
[0007]構(gòu)建所述平面陣接收信號基于第一波達(dá)方向α和第二波達(dá)方向β的解耦模型F= \(a)G(i3)+N，其中F為平面陣接收信號，\(α)為與第一波達(dá)方向α相關(guān)的流形矩陣，G(i3)為與第二波達(dá)方向β相關(guān)的信號矩陣，N為噪聲信號矩陣；
[0008]在α域稀疏性前提下，對平面陣接收信號F進(jìn)行α域稀疏重建，獲得α域稀疏信號的支撐集，以得到α估計值；以及
[0009]在β域稀疏性前提下，對信號矩陣G(i3)中與α估計值對應(yīng)的行矢量進(jìn)行β域稀疏重建，獲得β域稀疏信號的支撐集，以得到與所述α估計值對應(yīng)的β估計值。
[0010]根據(jù)本申請的另一個方面，公開了一種基于平面陣的二維波達(dá)方向估計方法的優(yōu)化方法，包括:
[0011]將α作為第一波達(dá)方向并將β作為第二波達(dá)方向，通過如前所述的二維波達(dá)方向估計方法，先獲得α估計值作為α第一估計值，后獲得與所述α第一估計值對應(yīng)的β估計值作為β第一估計值；
[0012]將β作為第一波達(dá)方向并將α作為第二波達(dá)方向，通過如前所述的二維波達(dá)方向估計方法，先獲得β估計值作為β第二估計值，后獲得與所述β第二估計值對應(yīng)的α估計值作為α第二估計值；以及
[0013]根據(jù)所獲得的α第一估計值、α第二估計值、β第一估計值和β第二估計值，優(yōu)化平面陣的二維波達(dá)方向估計值(α，β)。
[0014]根據(jù)本申請的另一個方面，公開了一種二維波達(dá)方向估計器，包括:
[0015]天線平面陣，接收入射信號；
[0016]預(yù)處理模塊，對所述天線平面陣接收到的入射信號進(jìn)行預(yù)處理，將接收到的入射
信號變頻至預(yù)定頻率；
[0017]模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將來自信號預(yù)處理模塊的模擬信號轉(zhuǎn)換至數(shù)字信號；
[0018]二維波達(dá)方向估計模塊，接收來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號；構(gòu)建所述數(shù)字信號基于第一波達(dá)方向α和第二波達(dá)方向β的解耦模型F = AJa )G(i3)+N，其中F為所述數(shù)字信號，AJa)為與第一波達(dá)方向α相關(guān)的流形矩陣，6(β)為與第二波達(dá)方向β相關(guān)的信號矩陣，N為噪聲信號矩陣；在α域稀疏性前提下，對所述數(shù)字信號F進(jìn)行α域稀疏重建，獲得α域稀疏信號的支撐集，以得到α估計值；以及在β域稀疏性前提下，對信號矩陣G(i3)中與α估計值對應(yīng)的行矢量進(jìn)行β域稀疏重建，獲得β域稀疏信號的支撐集，以得到與所述α估計值對應(yīng)的β估計值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1a和Ib示出了平面陣中二維波達(dá)方向表示的示意圖。
[0020]圖2示出了根據(jù)本申請的一種實施方式的基于平面陣的二維波達(dá)方向估計方法的流程圖。
[0021]圖3a_3b示出了根據(jù)本申請的一種實施方式的第一波達(dá)方向估計和第二波達(dá)方向估計的示意圖。
[0022]圖4a_4c是根據(jù)本申請的一種實施方式的基于平面陣的二維波達(dá)方向估計方法的優(yōu)化方法的示意圖。
[0023]圖5是根據(jù)本申請的一種實施方式的二維波達(dá)方向估計器。
【具體實施方式】
[0024]下面參照附圖對本申請公開的基于平面陣的二維波達(dá)方向估計方法進(jìn)行詳細(xì)說明。為簡明起見，本申請各實施例的說明中，相同或類似的裝置使用了相同或相似的附圖標(biāo)記。
[0025]天線陣列配置
[0026]考慮一個由MX W個天線陣元組成的平面矩形陣。位于第m行第w列(1≤m≤M，1≤ w≤ W)的陣元在二維平面上的坐標(biāo)(x?，y?)滿足
【權(quán)利要求】
1.一種基于平面陣的二維波達(dá)方向估計方法，包括: 構(gòu)建所述平面陣接收信號基于第一波達(dá)方向α和第二波達(dá)方向β的解耦模型F =\(a)G(i3)+N，其中F為平面陣接收信號，\(α)為與第一波達(dá)方向α相關(guān)的流形矩陣，6(β)為與第二波達(dá)方向β相關(guān)的信號矩陣，N為噪聲信號矩陣； 在α域稀疏性前提下，對平面陣接收信號F進(jìn)行α域稀疏重建，獲得α域稀疏信號的支撐集，以得到α估計值；以及 在β域稀疏性前提下，對信號矩陣G(i3)中與α估計值對應(yīng)的行矢量進(jìn)行β域稀疏重建，獲得β域稀疏信號的支撐集，以得到與所述α估計值對應(yīng)的β估計值。
2.如權(quán)利要求1所述的估計方法，其中，通過以下方式對平面陣接收信號F進(jìn)行α域稀疏重建:
3.如權(quán)利要求2所述的估計方法，其中，所述獲得a域稀疏信號的支撐集的步驟包括:限制a域重建信號誤差小于第一預(yù)設(shè)門限，且最小化信號矩陣的P范數(shù)(O≤ρ<1)，以獲得a域稀疏信號的支撐集。
4.如權(quán)利要求3所述的估計方法，進(jìn)一步包括:通過以下方式限制a域重建信號誤差小于第一預(yù)設(shè)門限，且最小化信號矩陣6(0)的P范數(shù):
5.如權(quán)利要求4所述的估計方法，其中，所述第一預(yù)設(shè)門限CT12根據(jù)平面陣接收信號中的噪聲信號分布確定。
6.如權(quán)利要求4所述的估計方法，其中，當(dāng)所述平面陣中存在無效陣元時，所述a域重建信號誤差是去除了無效陣元對應(yīng)位置的數(shù)據(jù)的重建信號誤差。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項所述的估計方法，其中，所述對信號矩陣G(i3)中與α估計值對應(yīng)的行矢量進(jìn)行β域稀疏重建的步驟包括: 確定與α估計值中的每一個估計值A(chǔ)所對應(yīng)的信號矩陣G(i3)中的行矢量
8.如權(quán)利要求7所述的估計方法，其中，所述獲得β域稀疏信號的支撐集，以得到與所述α估計值對應(yīng)的β估計值的步驟包括:對于α估計值中的每一個估計值電所對應(yīng)的矩陣形式A的β域稀疏重建公
9.如權(quán)利要求8所述的估計方法，進(jìn)一步包括:通過以下方式限制β域重建信號誤差小于第二預(yù)設(shè)門限，且最小化β域稀疏信號矩陣的P范數(shù):
10.如權(quán)利要求9所述的估計方法，其中，所述第二預(yù)設(shè)門限σ|根據(jù)根據(jù)平面陣中與第二波達(dá)方向β相關(guān)的線性子陣上的背景噪聲信號分布確定。
11.一種基于平面陣的二維波達(dá)方向估計方法的優(yōu)化方法，包括: 將α作為第一波達(dá)方向并將β作為第二波達(dá)方向，通過如前述任一權(quán)利要求所述的估計方法，先獲得α估計值作為α第一估計值，后獲得與所述α第一估計值對應(yīng)的β估計值作為β第一估計值； 將β作為第一波達(dá)方向并將α作為第二波達(dá)方向，通過如前述任一權(quán)利要求所述的估計方法，先獲得β估計值作為β第二估計值，后獲得與所述β第二估計值對應(yīng)的α估計值作為α第二估計值；以及 根據(jù)所獲得的α第一估計值、α第二估計值、β第一估計值和β第二估計值，優(yōu)化平面陣的二維波達(dá)方向估計值(α，β)。
12.—種二維波達(dá)方向估計器，包括: 天線平面陣，接收入射信號； 預(yù)處理模塊，對所述天線平面陣接收到的入射信號進(jìn)行預(yù)處理，將接收到的入射信號變頻至預(yù)定頻率； 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將來自信號預(yù)處理模塊的模擬信號轉(zhuǎn)換至數(shù)字信號； 二維波達(dá)方向估計模塊，接收來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號；構(gòu)建所述數(shù)字信號基于第一波達(dá)方向α和第二波達(dá)方向β的解耦模型F = \(a)G(i3)+N，其中F為所述數(shù)字信號，AL(a)為與第一波達(dá)方向a相關(guān)的流形矩陣，6(β)為與第二波達(dá)方向β相關(guān)的信號矩陣，N為噪聲信號矩陣；在a域稀疏性前提下，對所述數(shù)字信號F進(jìn)行a域稀疏重建，獲得a域稀疏信號的支撐集，以得到a估計值；以及在β域稀疏性前提下，對信號矩陣G(i3)中與a估計值對應(yīng)的行矢量進(jìn)行β域稀疏重建，獲得β域稀疏信號的支撐集，以得到與所述a估計值對應(yīng)的β估計值。
【文檔編號】G01S3/14GK104007414SQ201410177940
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】汪灃, 崔曉偉, 陸明泉 申請人:清華大學(xué)