一种宽带相干信号波达角估计方法

摘要

本发明提供了一种宽带相干信号波达角估计方法，步骤如下：利用变换矩阵对不同频点处的协方差矩阵进行变换，构造导向协方差矩阵；利用导向协方差矩阵估计传播算子和噪声子空间，并进行噪声子空间正交化；采用MUSIC 算法由下式计算空间谱并进行波达角估计。与现有的基于传播算子法的宽带相干信号DOA估计方法相比，本发明适合于任意阵型，不需要预估方位，具有较好的统计稳定性，可提高低信噪比和小快拍数条件下宽带相干信号DOA估计的性能。本发明可用于声纳、雷达和无线通讯系统的宽带相干信号DOA估计。

权利要求

1.一种宽带相干信号波达角估计方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、利用变换矩阵对不同频点处的协方差矩阵Rx(fj)进行变换，构造导向协方差矩阵：其中，变换矩阵为：

其中ωj＝2πfj，fj为第j个频点的频率；τm(θ),1≤m≤M，为从方位角θ入射到第m个阵元的信号相对于参考点的延时，M为阵元数；J为频点数；H表示共轭转置；

步骤二、利用导向协方差矩阵估计传播算子和噪声子空间，并进行噪声子空间正交化：

1)对导向协方差矩阵Z(θ)分块；

其中 为M×N的矩阵， 为M×(M-N)的矩阵；

2)计算传播算子；

3)构造噪声子空间；

其中I为M-N维的单位阵；

4)对噪声子空间正交化：

步骤三、采用MUSIC算法由下式计算空间谱并进行波达角估计：其中1＝[1,1,…,1]T为M×1维的导向向量，T代表转置。

说明书

一种宽带相干信号波达角估计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种宽带相干信号波达角(Direction of Arrival，简称DOA)估计方法。

背景技术

[0002] 在各种高分辨DOA估计算法中，以MUSIC算法为代表的子空间分解类算法由于其分辨力高、性能稳定，受到广泛关注，然而这类算法为了得到噪声子空间或信号子空间需要对阵列数据协方差矩阵进行特征值分解，运算量比较大，对DOA估计的软硬件系统要求较高。传播算子法(PM)仅通过简单的线性运算无需特征值分解即可得到噪声子空间的估计，减小了运算量。基本的传播算子法是针对窄带非相关信号的，在中高信噪比下性能接近MUSIC算法，但在低信噪比下性能下降。基于相干信号子空间法(CSM)的传播算子法(PM)可以实现宽带相干信号的DOA估计，但需要预估方位，预估精度影响DOA估计性能。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提出一种不需要预估方位的基于传播算子(PM)的宽带相干信号DOA估计方法，并可以提高低信噪比和小快拍数条件下PM算法的DOA估计性能。

[0004] 本发明提供了一种可用于声纳、雷达和无线通讯系统的宽带相干信号DOA估计方法，利用变换矩阵对不同频点处的协方差矩阵Rx(fj)进行变换，构造导向协方差矩阵，利用导向协方差矩阵估计传播算子和噪声子空间，计算空间谱并进行DOA估计。

[0005] 本发明的具体方法为：

[0006] 步骤一、利用变换矩阵对不同频点处的协方差矩阵Rx(fj)进行变换，构造导向协方差矩阵：

[0007]

[0008] 其中，变换矩阵为：

[0009] 其中ωj＝2πfj，fj为第j个频点的频率；τm(θ),1≤m≤M，为从方位角θ入射到第m个阵元的信号相对于参考点的延时，M为阵元数；J为频点数；H表示共轭转置；

[0010] 步骤二、利用导向协方差矩阵估计传播算子和噪声子空间，并进行噪声子空间正交化；步骤三、采用MUSIC算法由下式计算空间谱并进行波达角估计：

[0011]

[0012] 其中1＝[1,1,…,1]T为M×1维的导向向量，T代表转置。

[0013] 所述估计传播算子和噪声子空间采用如下方法：

[0014] 1)对导向协方差矩阵Z(θ)分块；

[0015]

[0016] 其中 为M×N的矩阵， 为M×(M-N)的矩阵；

[0017] 2)计算传播算子；

[0018]

[0019] 3)构造噪声子空间；

[0020]

[0021] 其中I为M-N维的单位阵；

[0022] 4)对噪声子空间正交化：

[0023] 与现有的基于传播算子法的宽带相干信号DOA估计方法相比，本发明适合于任意阵型，不需要预估方位，具有较好的统计稳定性，尤其适合快拍数少和低信噪比条件下的宽带相干信号DOA估计。

附图说明

[0024] 图1是本发明实施例的宽带相干信号DOA估计方法流程图。

具体实施方式

[0025] 本发明的基本思路是用阵列信号的导向协方差矩阵代替数据协方差矩阵，利用导向协方差矩阵估计传播算子，构造噪声子空间，并进行DOA估计。

[0026] 传播算子法(PM)通过简单的线性运算无需特征值分解即可得到噪声子空间的估计，减小了空间谱估计的运算量。

[0027] 下面结合图1和实施例对本发明进行详细描述。

[0028] 图1是本发明实施例的宽带相干信号DOA估计方法流程图。如图1所示，该方法包括如下步骤：

[0029] 1)将接收数据分为K段，每段J点，做FFT变换得到频域接收数据矩阵；

[0030]

[0031] 其中M为阵元数，N为信源数，信源与噪声相互独立，ωj＝2πfj，fj为第j个频点的频率，τmn是第n个信号到达第m个阵元相对参考点的延时。上式可以写成矩阵的形式：

[0032] X(fj)＝A(fj)S(fj)+N(fj) 1≤j≤J

[0033] 其中A(fj)为阵列流型矩阵。

[0034] 2)估计各子带的数据协方差矩阵Rx(fj)；

[0035]

[0036] 其中K为数据段数，X(fj)为频点fj对应的接收数据矩阵，H表示共轭转置。

[0037] 3)计算导向协方差矩阵Z(θ)；

[0038]

[0039] 其中Tj(θ)为变换矩阵，

[0040]

[0041] 4)估计传播算子；

[0042] 对导向协方差矩阵Z(θ)分块，

[0043]

[0044] 其中 为M×N的矩阵， 为M×(M-N)的矩阵。

[0045] 估计传播算子

[0046]

[0047] 5)构造噪声子空间，并正交化；

[0048]

[0049]

[0050] 其中I为M-N维的单位阵。

[0051] 6)采用MUSIC方法估计空间谱，搜索谱峰得到DOA估计；

[0052]

[0053] 其中1＝[1,1,…,1]T为M×1维的导向向量。

[0054] 与现有的基于传播算子法的宽带相干信号DOA估计方法相比，本发明适合于任意阵型，不需要预估方位，具有较好的统计稳定性，能够有效提高低信噪比和小快拍数条件下宽带相干信号的DOA估计性能。

[0055] 此外，基于传播算子的DOA估计方法计算量正比于信源数与阵元数的比值，十分有利于阵元多而信源数较少的水声环境的实时测向，同时也可用于雷达和无线通讯系统的宽带相干信号DOA估计。