基于矩阵填充的嵌套阵阵元失效下的波达方向估计方法及装置转让专利
申请号 : CN201910464969.7
文献号 : CN110308417B
文献日 : 2021-07-02
发明人 : 杨潇 , 郑植 , 王文钦
申请人 : 电子科技大学 , 电子科技大学广东电子信息工程研究院
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于矩阵填充的嵌套阵阵元失效下的波达方向估计方法,其特征在于,所述嵌套阵包括内层均匀线阵和外层均匀线阵,所述内层均匀线阵包括M1个阵元,所述外层均匀线阵包括M2个阵元,该方法包括:根据嵌套阵阵列接收信号x(t)计算虚拟优化阵的接收信号协方差矩阵将所述虚拟优化阵的接收信号协方差矩阵 扩充为均匀阵列的协方差矩阵建立补全均匀阵列的协方差矩阵 中零元素的凸优化问题,在均匀阵列的协方差矩阵中的非零元素保持不变的前提下,使所述均匀阵列的协方差矩阵 的奇异值之和最小;
采用矩阵填充中的固定点延拓算法对凸优化问题进行求解得到最优值RV;
对所述最优值RV进行特征分解,得到噪声子空间,从而构造MUSIC谱,通过谱峰搜索实现DOA估计。
2.根据权利要求1所述的一种基于矩阵填充的嵌套阵阵元失效下的波达方向估计方法,其特征在于,所述根据嵌套阵的接收信号计算虚拟优化阵的接收信号协方差矩阵,具体包括:
计算嵌套阵阵列接收信号x(t)在T次快拍下的自相关矩阵RT;
对所述自相关矩阵RT进行向量化并去冗余得到观测矢量z1;
再基于z1构建Hermitian Toeplitz矩阵 则Hermitian Toeplitz矩阵 为该阵列的虚拟优化阵的接收信号协方差矩阵。
3.根据权利要求1所述的一种基于矩阵填充的嵌套阵阵元失效下的波达方向估计方法,其特征在于,所述将所述虚拟优化阵的接收信号协方差矩阵扩充为均匀阵列的协方差矩阵 具体包括:
计算没有阵元失效的嵌套阵的虚拟优化阵的接收信号协方差矩阵 其元素依据阵元位置差与虚拟优化阵的接收信号协方差矩阵 中的元素一一对应,虚拟优化阵的接收信号协方差矩阵 中没有的元素就先以零替代,得到一个阵元数为M2(M1+1)的均匀阵列的协方差矩阵 其中部分位置元素为零。
4.根据权利要求1所述的一种基于矩阵填充的嵌套阵阵元失效下的波达方向估计方法,其特征在于,
对均匀阵列的协方差矩阵RV进行特征分解,得到US为大特征值对应的特征向量构成的(N+1)×K维信号子空间,N=M2(M1+1)‑1,UN为小特征值对应的特征向量构成的(N+1)×(N+1‑K)维噪声子空间,ΣS表示由大特征值构成的K×K维对角阵,ΣN表示由小特征值构成的(N+1‑K)×(N+1‑K)维对角阵;
MUSIC谱估计公式为
其中,a(θ)为阵列流型矢量;
最后通过谱峰搜索获得DOA估计。
5.一种基于矩阵填充的嵌套阵阵元失效下的波达方向估计装置,其特征在于,所述嵌套阵包括内层均匀线阵和外层均匀线阵,所述内层均匀线阵包括M1个阵元,所述外层均匀阵包括M2个阵元,该装置包括:计算模块,用于根据嵌套阵阵列接收信号x(t)计算虚拟优化阵的接收信号协方差矩阵扩充模块,用于将所述虚拟优化阵的接收信号协方差矩阵 扩充为均匀阵列的协方差矩阵
填充模块,用于建立补全均匀阵列的协方差矩阵 中零元素的凸优化问题,在均匀阵列的协方差矩阵 中的非零元素保持不变的前提下,使所述均匀阵列的协方差矩阵 的奇异值之和最小;
优化模块,用于采用矩阵填充中的固定点延拓算法对凸优化问题进行求解得到最优值RV;
估计模块,用于对所述最优值RV进行特征分解,得到噪声子空间,从而构造MUSIC谱,通过谱峰搜索实现DOA估计。
6.根据权利要求5所述的一种基于矩阵填充的嵌套阵阵元失效下的波达方向估计装置,其特征在于,所述计算模块具体包括:自相关模块,用于计算嵌套阵阵列接收信号x(t)在T次快拍下的自相关矩阵RT;
向量化模块,用于对所述自相关矩阵RT进行向量化并去冗余得到观测矢量z1;
矩阵构模块,用于基于z1构建Hermitian Toeplitz矩阵 则Hermitian Toeplitz矩阵为该阵列的虚拟优化阵的接收信号协方差矩阵。
7.根据权利要求5所述的一种基于矩阵填充的嵌套阵阵元失效下的波达方向估计装置,其特征在于,所述将所述虚拟优化阵的接收信号协方差矩阵扩充为均匀阵列的协方差矩阵 具体包括:
计算没有阵元失效的嵌套阵的虚拟优化阵的接收信号协方差矩阵 其元素依据阵元位置差与虚拟优化阵的接收信号协方差矩阵 中的元素一一对应,虚拟优化阵的接收信号协方差矩阵 中没有的元素就先以零替代,得到一个阵元数为M2(M1+1)的均匀阵列的协方差矩阵 其中部分位置元素为零。
8.根据权利要求5所述的一种基于矩阵填充的嵌套阵阵元失效下的波达方向估计装置,其特征在于,
对均匀阵列的协方差矩阵RV进行特征分解,得到US为大特征值对应的特征向量构成的(N+1)×K维信号子空间,UN为小特征值对应的特征向量构成的(N+1)×(N+1‑K)维噪声子空间,ΣS表示由大特征值构成的K×K维对角阵,ΣN表示由小特征值构成的(N+1‑K)×(N+1‑K)维对角阵;
MUSIC谱估计公式为
其中,a(θ)为阵列流型矢量;
最后通过谱峰搜索获得DOA估计。
9.一种存储介质,存储计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器运行时执行以下步骤:
根据嵌套阵阵列接收信号x(t)计算虚拟优化阵的接收信号协方差矩阵将所述虚拟优化阵的接收信号协方差矩阵 扩充为均匀阵列的协方差矩阵建立补全均匀阵列的协方差矩阵 中零元素的凸优化问题,在均匀阵列的协方差矩阵中的非零元素保持不变的前提下,使所述均匀阵列的协方差矩阵 的奇异值之和最小;
采用矩阵填充中的固定点延拓算法对凸优化问题进行求解得到最优值RV;
对所述最优值RV进行特征分解,得到噪声子空间,从而构造MUSIC谱,通过谱峰搜索实现DOA估计。
10.一种电子终端,其特征在于,包括:存储器,用于存储计算机程序;
处理器,用于执行所述存储器存储的计算机程序,以使如权利要求1‑8任意一项所述的一种基于矩阵填充的嵌套阵阵元失效下的波达方向估计装置执行以下步骤:根据嵌套阵阵列接收信号x(t)计算虚拟优化阵的接收信号协方差矩阵将所述虚拟优化阵的接收信号协方差矩阵 扩充为均匀阵列的协方差矩阵建立补全均匀阵列的协方差矩阵 中零元素的凸优化问题,在均匀阵列的协方差矩阵中的非零元素保持不变的前提下,使所述均匀阵列的协方差矩阵 的奇异值之和最小;
采用矩阵填充中的固定点延拓算法对凸优化问题进行求解得到最优值RV;
对所述最优值RV进行特征分解,得到噪声子空间,从而构造MUSIC谱,通过谱峰搜索实现DOA估计。
说明书 :
基于矩阵填充的嵌套阵阵元失效下的波达方向估计方法及
装置
技术领域
背景技术
并广泛应用于声纳、雷达、通信、气象、勘探、生物医学等军事科技及民用领域。
数,就必须增加大量阵元,造成系统复杂度的增加和成本的提高。对此,近年来,稀疏阵的提
出,大大提高了阵列孔径和自由度,成为DOA估计领域的一大热点。与传统满阵相比,稀疏阵
的阵元间距可以大于入射信号的半波长,因此在阵元数目相同的情况下,稀疏阵拥有更大
的阵列孔径以及更小的阵元互耦,提高了DOA估计精度、分辨率和可估计的最大信号数。
现高精度的DOA估计。这些方法需要构建传感器接收信号的协方差矩阵,然后将信号子空间
与噪声子空间分离,利用其正交性计算出波达方向。但是这些算法都依赖于阵列结构,在实
际应用中,无法避免地出现阵列因为出现器件老化或者环境原因等因素存在阵元损坏或数
据缺失等情时,阵列结构被打破,这些方法的估计性能、可估计的信号数就会大大降低。
ZhuC等人根据KR积变换理论,通过构造差分矩阵解决了传统相控真传感器损坏的问题。
ZhangW等人将差矩阵构造与MIMO雷达相结合,通过差分阵列中正常工作阵元的接收信号恢
复相应的缺失数据,解决了MIMO雷达中阵元损坏的问题。杨东等人通过将单次快拍的信号
矢量重排为一个等效的低秩矩阵,将缺失数据随机分布在其中,通过矩阵填充算法填补缺
失的接收信号。刘建涛等人[4]提出了一种数据协方差重构方法,利用数据协方差矩阵矩阵
满足Toeplitz的结构特性,通过接收到的协方差矩阵元素恢复缺失的元素。然而这些都是
基于传统满阵线阵或面阵提出的,对于稀疏阵的阵元失效问题,仍是当前研究的热点与难
点。
发明内容
元个数的目标信号到达角的优点,而且还提高了DOA估计性能与最大可估计信号数。
线阵包括M1个阵元,所述外层均匀阵包括M2个阵元,该方法包括:
最小;
信号协方差矩阵 中没有的元素就先以零替代,得到一个阵元数为M2(M1+1)的均匀阵列的
协方差矩阵 其中部分位置元素为零。
成的K×K维对角阵,ΣN表示由小特征值构成的(N+1‑K)×(N+1‑K)维对角阵;
元,该装置包括:
的奇异值之和最小;
信号协方差矩阵 中没有的元素就先以零替代,得到一个阵元数为M2(M1+1)的均匀阵列的
协方差矩阵 其中部分位置元素为零。
阵,ΣN表示由小特征值构成的(N+1‑K)×(N+1‑K)维对角阵;
最小;
最小;
来进行DOA估计。相较于已有的稀疏阵DOA估计方法,自由度更大,估计精度也更高,性能更
好。
附图说明
限定。
具体实施方式
施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离
本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是,在不冲突的情况下,以下实施例及实施
例中的特征可以相互组合。
绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也
可能更为复杂。
阵元,阵元间距为d1=λ/2,λ为信号波长;所述外层均匀阵包括M2个阵元,阵元间距为d2,d2
=(M1+1)×d1,
号。
表示为
(t),s2(t),...,sK(t)]表示零均值信号矢量,n(t)=[n1(t),n2(t),...,nL(t)]表示非相
关的零均值高斯白噪声,其元素独立同分布且均服从复高斯分布 A=[a(θ1),a
(θ2),...,a(θK)]表示阵列的导向矢量矩阵,其中,a(θi)=[1,exp((‑j2π/λ)d2sinθi),...,
T
exp((‑j2π/λ)dLsinθi)]表示第i个信号的导向矢量,di表示第i个阵元相对于参考阵元的
距离。
i个位置为1,其他位置为0的列向量,*表示共轭,⊙表示Khatri‑Rao积。则(A ⊙A)可看作该
阵列的虚拟优化阵所对应的阵列流型矩阵,p可看作入射到该虚拟优化阵的单快拍信号矢
*
量。Z中的元素为虚拟优化阵的接收信号,但由于(A ⊙A)存在重复行,使得Z中某些元素的
产生非唯一性。于是从中移除相同的行然后对其排序,可以得到一个新的向量
将虚拟优化阵的接收信号协方差矩阵扩充为均匀阵列的协方差矩阵,缺失的部分先用零补
全,那么构造出的新协方差矩阵,即均匀阵列的协方差矩阵 可以表示为,
值之和最小;
所以可以将补全 矩阵缺失数据问题转化为补全如下的一个低秩矩阵问题
阵,ΣN表示由小特征值构成的(N+1‑K)×(N+1‑K)维对角阵。由于信号子空间与噪声子空间
正交,所以MUSIC谱估计公式为
余阵列(Minimum Redundant Array,MRA)的阵元位置为(0,1,3,6,13,20,27,34,41,45,49,
50),除了有阵元失效的阵列采用所提方法,其余比较的阵列都采用平滑MUSIC算法。
小冗余阵相比较,同时未有阵元失效的该阵列也一起比较。快拍数设置为500,信号数为21,
入射信号角度均匀分布在[‑60°,60°],并进行500次独立实验。入射角度的均方根误差
(RMSE)随信噪比(SNR)变化的曲线如图2所示。
为位置1失效,位置1和2失效,位置1和2和3失效。快拍数设置为500,信号数为21,入射信号
角度均匀分布在[‑60°,60°],并进行200次独立实验。失效阵元数不同时,入射角度的均方
根误差(RMSE)随信噪比(SNR)变化的曲线如图3所示。
[‑60°,60°],同样进行200次独立试验入射角度的均方根误差(RMSE)随快拍数变化的曲线
如图4所示。
稳定地优于同阵元数的标准嵌套阵。并且所提方法可以完成不同失效阵元情形下的嵌套阵
的DOA估计,而且随着失效阵元数增加,可用的阵元数减少,估计性能也显然地越来越差。
阵包括M2个阵元,该装置包括:
的奇异值之和最小;
信号协方差矩阵 中没有的元素就先以零替代,得到一个阵元数为M2(M1+1)的均匀阵列的
协方差矩阵 其中部分位置元素为零。
阵,ΣN表示由小特征值构成的(N+1‑K)×(N+1‑K)维对角阵;
最小;
最小;
述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储
器、只读存储器(ROM,Read‑Only Memory)、随机存取存储器((RAM,Random Access
Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)、现场可编程门阵列(Field
Programmable Gate Array,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、
分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器
等。
一步地,所述存储器还可以既包括内部存储单元,也包括外部存储设备。所述存储器用于存
储所述计算机程序以及其他程序和数据。所述存储器还可以用于暂时地存储己经输出或者
将要输出的数据。
功能单元、模块完成,即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块,以完成以上
描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中,也可
以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中,上述集成的
单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。另外,各功能单
元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分,并不用于限制本申请的保护范围。上述系统
中单元、模块的具体工作过程,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。
以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员
可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出
本发明的范围。
述模块或单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如
多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另
一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口,装置
或单元的间接耦合或通讯连接,可以是电性,机械或其它的形式。
此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完
成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。