相干信源波达方向估算方法、装置、处理设备及存储介质

摘要

本申请提供一种相干信源波达方向估算方法、装置、处理设备及存储介质，涉及雷达信号处理技术领域。该方法基于信源的回波波达方向、回波观测数据的信号子空间以及信号稀疏矩阵等参数信息，构建了各待测信源的回波波达方向与信号子空间和信号稀疏矩阵之间的目标函数关系，从而通过求解目标函数关系，对各目标函数关系中各待测信源的回波波达方向进行求解，得到精确的波达方向估算结果。通过将波达方向估计问题转换为目标函数关系求解问题，从而快速且精确的估算得到待测信源的波达方向，并且一定程度上可减少运算量。

权利要求

1.一种相干信源波达方向估算方法，其特征在于，包括：

根据预先搭建的天线阵列中各阵元接收的至少一个待测信源的回波信号，生成所述至少一个待测信源对应的回波观测数据；

根据所述回波观测数据中的信号子空间和信号稀疏矩阵，以及各待测信源的回波波达方向与所述信号子空间和所述信号稀疏矩阵之间的目标函数关系，确定各待测信源的回波波达方向，其中，所述信号稀疏矩阵根据所述天线阵列的发射信号构建；所述回波观测数据包括噪声信号和有效信号，所述信号子空间用于表征所述有效信号；

所述根据所述回波观测数据中的信号子空间和信号稀疏矩阵，以及各待测信源的回波波达方向与所述信号子空间和所述信号稀疏矩阵之间的目标函数关系，确定各待测信源的回波波达方向之前，还包括：根据各待测信源的阵列流型矩阵，对所述回波观测数据进行建模，构建所述回波观测数据与阵列流型矩阵的函数关系，所述各待测信源的阵列流型矩阵与各待测信源的回波波达方向具有预设的对应关系；

根据所述信号子空间以及所述回波观测数据与所述阵列流型矩阵的函数关系，构建所述目标函数关系；

所述根据所述信号子空间以及所述回波观测数据与所述阵列流型矩阵的函数关系，构建所述目标函数关系，包括：对所述回波观测数据进行奇异值变换处理，生成所述回波观测数据对应的奇异值矩阵；

根据所述奇异值矩阵，生成所述回波观测数据对应的信号子空间；

根据所述信号子空间以及所述回波观测数据与所述阵列流型矩阵的函数关系，构建所述目标函数关系。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据各待测信源的阵列流型矩阵，对所述回波观测数据进行建模，构建所述回波观测数据与阵列流型矩阵的函数关系，包括：根据各待测信源的回波波达方向、波长以及所述天线阵列中各阵元的间隔，构建所述各待测信源的阵列流型矩阵；

采用预设的空域角度完备集合，对所述各待测信源的阵列流型矩阵进行泰勒展开处理，生成处理后的各待测信源的阵列流型矩阵；

根据处理后的各待测信源的阵列流型矩阵、所述空域角度完备集合、所述信号稀疏矩阵及噪声矩阵，构建所述回波观测数据与阵列流型矩阵的函数关系。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标函数关系包括第一函数关系和第二函数关系，所述第一函数关系用于表征所述信号子空间、所述回波观测数据以及待估算参数之间的关系，所述待估算参数包括：所述信号稀疏矩阵及各待测信源的回波波达方向。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述回波观测数据中的信号子空间和信号稀疏矩阵，以及各待测信源的回波波达方向与所述信号子空间和所述信号稀疏矩阵之间的目标函数关系，确定各待测信源的回波波达方向，包括：根据设定的当前迭代后的各待测信源的回波波达方向，对所述目标函数关系进行转换，生成新的目标函数关系；

根据当前迭代对应的目标支撑集，确定当前迭代中各待测信源的回波波达方向；

判断所述当前迭代中各待测信源的回波波达方向与前一次迭代中各待测信源的回波波达方向的差值的2范数是否满足收敛条件，若是，则停止迭代，将当前迭代中各待测信源的回波波达方向确定为各待测信源的回波波达方向；

若否，则迭代执行，直至满足收敛条件。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据当前迭代对应的目标支撑集，确定当前迭代中各待测信源的回波波达方向，包括：根据所述信号子空间模型确定初始的残差矩阵、并分别确定初始的支撑集及初始的循环次数，所述支撑集表征预设的空域角度完备集合中各角度的标识；

根据当前循环对应的前一次循环中支撑集所包含的元素及残差矩阵，生成当前循环中的新的支撑集及新的残差矩阵，循环执行，直至所述当前的循环次数满足预设条件，则停止循环，得到当前迭代对应的目标支撑集；

根据当前迭代对应的目标支撑集，确定当前迭代中信号的稀疏矩阵；

根据当前迭代中信号的稀疏矩阵，确定当前迭代中各待测信源的回波波达方向。

6.一种相干信源波达方向估算装置，其特征在于，包括：生成模块、确定模块；

所述生成模块，用于根据预先搭建的天线阵列中各阵元接收的至少一个待测信源的回波信号，生成所述至少一个待测信源对应的回波观测数据；

所述确定模块，用于根据所述回波观测数据中的信号子空间和信号稀疏矩阵，以及各待测信源的回波波达方向与所述信号子空间和所述信号稀疏矩阵之间的目标函数关系，确定各待测信源的回波波达方向，其中，所述信号稀疏矩阵根据所述天线阵列的发射信号构建；所述回波观测数据包括噪声信号和有效信号，所述信号子空间用于表征所述有效信号；

所述装置还包括：构建模块；

所述构建模块，用于根据各待测信源的阵列流型矩阵，对所述回波观测数据进行建模，构建所述回波观测数据与阵列流型矩阵的函数关系，所述各待测信源的阵列流型矩阵与各待测信源的回波波达方向具有预设的对应关系；

根据所述信号子空间以及所述回波观测数据与所述阵列流型矩阵的函数关系，构建所述目标函数关系；

所述构建模块，具体用于对所述回波观测数据进行奇异值变换处理，生成所述回波观测数据对应的奇异值矩阵；

根据所述奇异值矩阵，生成所述回波观测数据对应的信号子空间；

根据所述信号子空间以及所述回波观测数据与所述阵列流型矩阵的函数关系，构建所述目标函数关系。

7.一种处理设备，其特征在于，包括：处理器、存储介质和总线，所述存储介质存储有所述处理器可执行的程序指令，当处理设备运行时，所述处理器与所述存储介质之间通过总线通信，所述处理器执行所述程序指令，以实现如权利要求1至5任一所述的相干信源波达方向估算方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如权利要求1至5任一所述的相干信源波达方向估算方法的步骤。

说明书

相干信源波达方向估算方法、装置、处理设备及存储介质

技术领域

[0001] 本申请涉及雷达信号处理技术领域，具体而言，涉及一种相干信源波达方向估算方法、装置、处理设备及存储介质。

背景技术

[0002] 目前雷达在目标探测领域具有较好的探测效果，而雷达探测主要是通过将探测信号发射至被测信源后，根据接收的回波信号的相关信息探测被测信源与雷达之间的方位信息。

[0003] 在实际环境中，由于多径传播等因素的影响，存在大量的相干信号源，现有对于相干信源的回波波达方向估算可基于稀疏贝叶斯表示的离线方式实现，但是由于方法的复杂性，使得运算消耗量较大。

发明内容

[0004] 本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种相干信源波达方向估算方法、装置、处理设备及存储介质，以便于提高相干信源的波达方向估算效率。

[0005] 为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

[0006] 第一方面，本申请实施例提供了一种相干信源波达方向估算方法，包括：

[0007] 根据预先搭建的天线阵列中各阵元接收的至少一个待测信源的回波信号，生成所述至少一个待测信源对应的回波观测数据；

[0008] 根据所述回波观测数据中的信号子空间和信号稀疏矩阵，以及各待测信源的回波波达方向与所述信号子空间和所述信号稀疏矩阵之间的目标函数关系，确定各待测信源的回波波达方向，其中，所述信号稀疏矩阵根据所述天线阵列的发射信号构建。

[0009] 可选地，所述根据所述回波观测数据中的信号子空间和信号稀疏矩阵，以及各待测信源的回波波达方向与所述信号子空间和所述信号稀疏矩阵之间的目标函数关系，确定各待测信源的回波波达方向之前，还包括：

[0010] 根据各待测信源的阵列流型矩阵，对所述回波观测数据进行建模，构建所述回波观测数据与阵列流型矩阵的函数关系，所述各待测信源的阵列流型矩阵与各待测信源的回波波达方向具有预设的对应关系；

[0011] 根据所述信号子空间以及所述回波观测数据与所述阵列流型矩阵的函数关系，构建所述目标函数关系。

[0012] 可选地，所述根据各待测信源的阵列流型矩阵，对所述回波观测数据进行建模，构建所述回波观测数据与阵列流型矩阵的函数关系，包括：

[0013] 根据各待测信源的回波波达方向、波长以及所述天线阵列中各阵元的间隔，构建所述各待测信源的阵列流型矩阵；

[0014] 采用预设的空域角度完备集合，对所述各待测信源的阵列流型矩阵进行泰勒展开处理，生成处理后的各待测信源的阵列流型矩阵；

[0015] 根据处理后的各待测信源的阵列流型矩阵、所述空域角度完备集合、所述信号稀疏矩阵及噪声矩阵，构建所述回波观测数据与阵列流型矩阵的函数关系。

[0016] 可选地，所述根据所述信号子空间以及所述回波观测数据与所述阵列流型矩阵的函数关系，构建所述目标函数关系，包括：

[0017] 对所述回波观测数据进行奇异值变换处理，生成所述回波观测数据对应的奇异值矩阵；

[0018] 根据所述奇异值矩阵，生成所述回波观测数据对应的信号子空间；

[0019] 根据所述信号子空间以及所述回波观测数据与所述阵列流型矩阵的函数关系，构建所述目标函数关系。

[0020] 可选地，所述目标函数关系包括第一函数关系和第二函数关系，所述第一函数关系用于表征所述信号子空间、所述回波观测数据以及待估算参数之间的关系，所述待估算参数包括：所述信号稀疏矩阵及各待测信源的回波波达方向。

[0021] 可选地，所述根据所述回波观测数据中的信号子空间和信号稀疏矩阵，以及各待测信源的回波波达方向与所述信号子空间和所述信号稀疏矩阵之间的目标函数关系，确定各待测信源的回波波达方向，包括：

[0022] 根据设定的当前迭代后的各待测信源的回波波达方向，对所述目标函数关系进行转换，生成新的目标函数关系；

[0023] 根据当前迭代对应的目标支撑集，确定当前迭代中各待测信源的回波波达方向；

[0024] 判断所述当前迭代中各待测信源的回波波达方向与前一次迭代中各待测信源的回波波达方向的差值的2范数是否满足收敛条件，若是，则停止迭代，将当前迭代中各待测信源的回波波达方向确定为各待测信源的回波波达方向；

[0025] 若否，则迭代执行，直至满足收敛条件。

[0026] 可选地，所述根据当前迭代对应的目标支撑集，确定当前迭代中各待测信源的回波波达方向，包括：

[0027] 根据所述信号子空间模型确定初始的残差矩阵、并分别确定初始的支撑集及初始的循环次数，所述支撑集表征预设的空域角度完备集合中各角度的标识；

[0028] 根据当前循环对应的前一次循环中支撑集所包含的元素及残差矩阵，生成当前循环中的新的支撑集及新的残差矩阵，循环执行，直至所述当前的循环次数满足预设条件，则停止循环，得到当前迭代对应的目标支撑集；

[0029] 根据当前迭代对应的目标支撑集，确定当前迭代中信号的稀疏矩阵；

[0030] 根据当前迭代中信号的稀疏矩阵，确定当前迭代中各待测信源的回波波达方向。

[0031] 第二方面，本申请实施例还提供了一种相干信源波达方向估算装置，包括：生成模块、确定模块；

[0032] 所述生成模块，用于根据预先搭建的天线阵列中各阵元接收的至少一个待测信源的回波信号，生成所述至少一个待测信源对应的回波观测数据；

[0033] 所述确定模块，用于根据所述回波观测数据中的信号子空间和信号稀疏矩阵，以及各待测信源的回波波达方向与所述信号子空间和所述信号稀疏矩阵之间的目标函数关系，确定各待测信源的回波波达方向，其中，所述信号稀疏矩阵根据所述天线阵列的发射信号构建。

[0034] 可选地，所述装置还包括：构建模块；

[0035] 所述构建模块，用于根据各待测信源的阵列流型矩阵，对所述回波观测数据进行建模，构建所述回波观测数据与阵列流型矩阵的函数关系，所述各待测信源的阵列流型矩阵与各待测信源的回波波达方向具有预设的对应关系；

[0036] 根据所述信号子空间以及所述回波观测数据与所述阵列流型矩阵的函数关系，构建所述目标函数关系。

[0037] 可选地，所述构建模块，具体用于根据各待测信源的回波波达方向、波长以及所述天线阵列中各阵元的间隔，构建所述各待测信源的阵列流型矩阵；

[0038] 采用预设的空域角度完备集合，对所述各待测信源的阵列流型矩阵进行泰勒展开处理，生成处理后的各待测信源的阵列流型矩阵；

[0039] 根据处理后的各待测信源的阵列流型矩阵、所述空域角度完备集合、所述信号稀疏矩阵及噪声矩阵，构建所述回波观测数据与阵列流型矩阵的函数关系。

[0040] 可选地，所述构建模块，具体用于对所述回波观测数据进行奇异值变换处理，生成所述回波观测数据对应的奇异值矩阵；

[0041] 根据所述奇异值矩阵，生成所述回波观测数据对应的信号子空间；

[0042] 根据所述信号子空间以及所述回波观测数据与所述阵列流型矩阵的函数关系，构建所述目标函数关系。

[0043] 可选地，所述目标函数关系包括第一函数关系和第二函数关系，所述第一函数关系用于表征所述信号子空间、所述回波观测数据以及待估算参数之间的关系，所述待估算参数包括：所述信号稀疏矩阵及各待测信源的回波波达方向。

[0044] 可选地，所述确定模块，具体用于根据设定的当前迭代后的各待测信源的回波波达方向，对所述目标函数关系进行转换，生成新的目标函数关系；

[0045] 根据当前迭代对应的目标支撑集，确定当前迭代中各待测信源的回波波达方向；

[0046] 判断所述当前迭代中各待测信源的回波波达方向与前一次迭代中各待测信源的回波波达方向的差值的2范数是否满足收敛条件，若是，则停止迭代，将当前迭代中各待测信源的回波波达方向确定为各待测信源的回波波达方向；

[0047] 若否，则迭代执行，直至满足收敛条件。

[0048] 可选地，所述确定模块，具体用于根据所述信号子空间模型确定初始的残差矩阵、并分别确定初始的支撑集及初始的循环次数，所述支撑集表征预设的空域角度完备集合中各角度的标识；

[0049] 根据当前循环对应的前一次循环中支撑集所包含的元素及残差矩阵，生成当前循环中的新的支撑集及新的残差矩阵，循环执行，直至所述当前的循环次数满足预设条件，则停止循环，得到当前迭代对应的目标支撑集；

[0050] 根据当前迭代对应的目标支撑集，确定当前迭代中信号的稀疏矩阵；

[0051] 根据当前迭代中信号的稀疏矩阵，确定当前迭代中各待测信源的回波波达方向。

[0052] 第三方面，本申请实施例提供了一种处理设备，包括：处理器、存储介质和总线，存储介质存储有处理器可执行的机器可读指令，当处理设备运行时，处理器与存储介质之间通过总线通信，处理器执行机器可读指令，以实现如第一方面中提供的相干信源波达方向估算方法的步骤。

[0053] 第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，该存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行如第一方面提供的相干信源波达方向估算方法的步骤。

[0054] 本申请的有益效果是：

[0055] 本申请提供一种相干信源波达方向估算方法、装置、处理设备及存储介质，该方法基于信源的回波波达方向、回波观测数据的信号子空间以及信号稀疏矩阵等参数信息，构建了各待测信源的回波波达方向与信号子空间和信号稀疏矩阵之间的目标函数关系，从而通过求解目标函数关系，对各目标函数关系中各待测信源的回波波达方向进行求解，得到精确的波达方向估算结果。通过将波达方向估计问题转换为目标函数关系求解问题，从而快速且精确的估算得到待测信源的波达方向，并且一定程度上可减少运算量。

附图说明

[0056] 为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

[0057] 图1为本申请实施例提供的相干信源波达方向估算方法的流程示意图一；

[0058] 图2为本申请实施例提供的相干信源波达方向估算方法的流程示意图二；

[0059] 图3为本申请实施例提供的相干信源波达方向估算方法的流程示意图三；

[0060] 图4为本申请实施例提供的相干信源波达方向估算方法的流程示意图四；

[0061] 图5为本申请实施例提供的相干信源波达方向估算方法的流程示意图五；

[0062] 图6为本申请实施例提供的相干信源波达方向估算方法的流程示意图六；

[0063] 图7为本申请实施例提供的一种相干信源波达方向估算装置的示意图；

[0064] 图8为本申请实施例提供的一种处理设备的结构示意图。

具体实施方式

[0065] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，本申请中附图仅起到说明和描述的目的，并不用于限定本申请的保护范围。另外，应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本申请中使用的流程图示出了根据本申请的一些实施例实现的操作。应该理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本申请内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其他操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。

[0066] 另外，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0067] 首先，对本方案的相关背景技术进行简单说明：

[0068] 雷达探测发展已经较成熟，可广泛应用于目标探测，原理是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息（目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等），其中，可根据接收的回波波达方向估计物体与雷达设备之间的方位关系。

[0069] 在实际环境中，由于多径传播等因素的影响，存在大量的相干信号源，然而对于一般的波达方向估计方法，如多重信号分类（MUSIC）等信号子空间类方法，由于相干信号源信号子空间与噪声子空间相互渗透，故不能对相干信号源进行有效分辨或是测向。因此，相干信号源的估计问题始终是一个十分棘手的问题；

[0070] 目前对相干信号源的处理方法一般有以下几类：一是空间平滑类，如空间平滑（SS）方法、修正的空间平滑（MSS）方法；二是矩阵重构方法，如矩阵分解（MD）法、奇异值分解（SVD）法；三是非降维处理方法，如Toeplitz法、子空间拟和方法等。但是上述提出的几种解相干信号的方法在实际应用中还是有很多问题，如空间平滑技术对于相干信号源波达方向估计有理想性能，但是它是通过牺牲有效阵元数来换取的，对阵列孔径有一定的损失，且在低信噪比时此方法的性能较差；矩阵重构技术则是需要较大的运算量；Toeplitz技术具有估计的波达方向偏差较大的缺点；子空间拟合类技术同样需要较大的运算量。

[0071] 通常的波达方向估计是基于理想情况下进行的，但在工程应用场合中各种各样的误差不可避免，因此，当实际模型（或实际数据）与假设模型不符合时，许多基于理想模型基础上的波达方向估计方法的性能将严重下降，因而必须采取补偿或者误差校正的措施。实际工程应用时，通常会出现有限数据长度快拍（采样）的问题。有限数据长度快拍对模型的影响在于，当快拍数小时，信号与噪声没有足够的时间解相关，噪声协方差矩阵也没有收敛，只有当快拍数大或信噪比高时，有限数据长度的影响才可以忽略。如何消除这些误差的影响，使估计波达方向方法在应用中具有较强的稳健性是波达方向方法实用化的一个关键环节。

[0072] 近来一段时间的研究中，一类基于稀疏信号重构的方法被提出，这类方法快速的被应用到波达方向估计的问题上，其优越性在与传统方法的对比上，优势明显。但是上述的一类方法在实际运用中又会提出另一个新问题。当实际的波达方向不在采样格点（Off‑Grid）上时，波达方向的估计将不准确。对于这一个问题，Yang Zai等人在2013年提出了一种基于稀疏贝叶斯表示的Off‑Grid波达方向估计的方法，该方法能够有效、准确的估计Off‑Grid上的波达方向，但这个方法在运算量消耗也是相当巨大的。

[0073] 基于上述问题的存在，本方案提出的相干信源波达方向估算方法，将波达方向估计问题转化为求解稀疏重构的问题，利用子空间拟合和加权L1范数逼近的方法有效的估计相干信源的回波波达方向，解决了现有技术中波达方向估计运算量大、准确性较差的问题。

[0074] 需要说明的是，本申请实施例中将会用到术语“包括”，用于指出其后所声明的特征的存在，但并不排除增加其它的特征。

[0075] 图1为本申请实施例提供的相干信源波达方向估算方法的流程示意图一；本方法的执行主体可以是雷达设备，可以是雷达设备中的主机设备，主机设备可以是信号处理板。如图1所示，该方法可包括：

[0076] S101、根据预先搭建的天线阵列中各阵元接收的至少一个待测信源的回波信号，生成至少一个待测信源对应的回波观测数据。

[0077] 可选地，在执行本方法的数据处理流程之前，可预先建立实验平台，架设具有M个阵元的均匀线性天线阵列，将架设的天线阵列放置在实验场地中，安装好其他的主机设备和雷达设备，打开雷达设备，雷达设备的发射机通过天线阵列把电磁波能量射向各待测信源，这里可假设待测信源包括K个，各待测信源反射碰到的电磁波；雷达设备通过天线阵列接收各待测信源反射的回波信号，送至主机设备，主机设备可根据接收到的各待测信源的回波信号，生成回波观测数据。

[0078] 其中，待测信源可以指目标物体，构成天线阵列的阵元数量M和待测信源的数量K均可根据实际试验需求进行灵活选取。

[0079] 可选地，生成的回波观测数据可以为一条数据，也就是说，并非一个待测信源对应生成一条回波观测数据，对于天线阵列而言，一个阵元接收到的回波数据可以是将所有待测信源的回波数据相结合得到的。

[0080] 在进行回波信号采集时，天线阵列中各阵元可以按照预设的采样间隔进行L次采样，那么，对于每个阵元而言，其均有L条采样回波数据。

[0081] 各阵元接收到的回波信号为物理波信号，那么，根据回波信号生成回波观测数据以将物理波信号转换为数字信号，以进行后续的数字信号处理。

[0082] 由此，生成的回波观测数据则可以为M乘L的矩阵。

[0083] S102、根据回波观测数据中的信号子空间和信号稀疏矩阵，以及各待测信源的回波波达方向与信号子空间和信号稀疏矩阵之间的目标函数关系，确定各待测信源的回波波达方向，其中，信号稀疏矩阵根据天线阵列的发射信号构建。

[0084] 通常，回波观测数据可包括噪声信号和有效信号两部分，而回波波达方向信息通常包含在有效信号中，那么，可先从回波观测数据中估计信号子空间，信号子空间也即这里所说的有效信号。

[0085] 信号稀疏矩阵可以根据天线阵列向待测信源所发送的发射信号生成，发射信号中同样包含噪声信号，信号稀疏矩阵可以是抛去噪声信号之后的发射信号。

[0086] 在一种可实现的方式中，可以根据信号子空间和信号稀疏矩阵，以及回波波达方向几个参数，构建各待测信源的回波波达方向与信号子空间和信号稀疏矩阵之间的目标函数关系，将波达方向的估算问题转换为求解目标函数关系的问题，从而可快速且精确的计算得到各待测信源的回波波达方向。

[0087] 综上，本实施例提供的相干信源波达方向估算方法，基于信源的回波波达方向、回波观测数据的信号子空间以及信号稀疏矩阵等参数信息，构建了各待测信源的回波波达方向与信号子空间和信号稀疏矩阵之间的目标函数关系，从而通过求解目标函数关系，对各目标函数关系中各待测信源的回波波达方向进行求解，得到精确的波达方向估算结果。通过将波达方向估计问题转换为目标函数关系求解问题，从而快速且精确的估算得到待测信源的波达方向，并且一定程度上可减少运算量。

[0088] 图2为本申请实施例提供的相干信源波达方向估算方法的流程示意图二；可选地，步骤S102中，根据回波观测数据中的信号子空间和信号稀疏矩阵，以及各待测信源的回波波达方向与信号子空间和信号稀疏矩阵之间的目标函数关系，确定各待测信源的回波波达方向之前，本方法还包括：

[0089] S201、根据各待测信源的阵列流型矩阵，对回波观测数据进行建模，构建回波观测数据与阵列流型矩阵的函数关系，各待测信源的阵列流型矩阵与各待测信源的回波波达方向具有预设的对应关系。

[0090] 阵列流型矩阵可以表征天线阵列中各阵元接收的回波信号之间的相位关系，每个待测信源均会反射回波信号至各阵元上，每个待测信源对应生成一阵列流型矩阵。

[0091] 可选地，回波观测数据与阵列流型之间的函数关系可以采用公式： 进行表示，其中，可以指阵列流型矩阵，S表示信号稀疏矩阵，E表示噪声矩阵。这里的指阵列流型矩阵可以指空域放大意义上的阵列流型矩阵，并不特指固定的某个待测信源对应的阵列流型矩阵。

[0092] 本实施例中，可首先构建得到各待测信源的阵列流型矩阵，而通过对各待测信源的阵列流型矩阵的表达形式的转换、以及将各待测信源对应的阵列流型矩阵结合以对上述的阵列流型矩阵 进行替换，可构建得到回波观测数据与阵列流型矩阵的函数关系。

[0093] 其中，各待测信源的阵列流型矩阵与各待测信源的回波波达方向具有预设的对应关系，也即，各待测信源的阵列流型矩阵根据各待测信源的回波波达方向构建得到。

[0094] S202、根据信号子空间以及回波观测数据与阵列流型矩阵的函数关系，构建目标函数关系。

[0095] 可选地，基于上述构建得到的回波观测数据与阵列流型矩阵的函数关系，以及根据回波观测数据所得到的信号子空间，可构建信号子空间以及回波观测数据、阵列流型矩阵之间的函数关系，得到目标函数关系。

[0096] 这里是基于回波观测数据与阵列流型矩阵的函数关系、以及信号子空间与回波观测数据之间的关系，进行稀疏重构函数的构建，将波达方向估计问题转换为求解稀疏重构的问题。

[0097] 图3为本申请实施例提供的相干信源波达方向估算方法的流程示意图三；可选地，步骤S201中，根据各待测信源的阵列流型矩阵，对回波观测数据进行建模，构建回波观测数据与阵列流型矩阵的函数关系，可以包括：

[0098] S301、根据各待测信源的回波波达方向、波长以及天线阵列中各阵元的间隔，构建各待测信源的阵列流型矩阵。

[0099] 假设存在K个远场相干待测信源入射到M个阵元组成的均匀天线阵列，K个待测信源的回波波达方向为 ，则第k个待测信源的阵列流型矩阵可以表示为，其中 为各阵元的间隔，为波长。

[0100] S302、采用预设的空域角度完备集合，对各待测信源的阵列流型矩阵进行泰勒展开处理，生成处理后的各待测信源的阵列流型矩阵。

[0101] 这里，设置一个空域角度完备集合 ，空域角度完备集合也即将空域0°360°划分为N份，由所划分得到的每一份角度所构成的集合，例如，以1°为间隔，划分~
为360°，那么得到的空域角度完备集合 。

[0102] 对导向矢量 进行一阶泰勒展开，生成的处理后的各待测信源的阵列流型矩阵可以采用如下公式进行表示：

[0103]

[0104] 其中 ， ， 表示Hadamard积。

[0105] S303、根据处理后的各待测信源的阵列流型矩阵、空域角度完备集合、信号稀疏矩阵及噪声矩阵，构建回波观测数据与阵列流型矩阵的函数关系。

[0106] 由于得到的处理后的各待测信源的阵列流型矩阵是以第K个待测信源的阵列流型矩阵来表示，而待测信源包括多个，回波观测数据也是多个待测信源的整体的观测数据，那么，将第 个待测信源的阵列流型矩阵扩展到各待测信源下，阵列流型矩阵可转换为：。

[0107] 那么，L个采样点的回波观测数据 与阵列流型矩阵之间的函数关系可以采用如下的公式进行表示：

[0108]

[0109] 其中回波观测数据 ，噪声矩阵 ，信号稀疏矩阵 ，和 是阵列流型展开的系数矩阵， ，其中
，是对 进行对角化后得到的矩阵。

[0110] 其中，回波信号里的噪声是随机的，根据统计特性确定，故这里的噪声矩阵 是随机的。

[0111] 在一些实施例中，对于生成的回波观测数据，可先进行预处理，先从回波观测数据中确定出中频信号，然后由中频信号做正交化处理，得出正交的I、Q通道数据，再将得出的I、Q通道的数据作为回波观测数据X。

[0112] 图4为本申请实施例提供的相干信源波达方向估算方法的流程示意图四；可选地，步骤S202中，根据信号子空间以及回波观测数据与阵列流型矩阵的函数关系，构建目标函数关系，可以包括：

[0113] S401、对回波观测数据进行奇异值变换处理，生成回波观测数据对应的奇异值矩阵。

[0114] 可选地，可对回波观测数据进行奇异值变换处理，分别得到左奇异矩阵、右奇异矩阵和奇异值对应的对角矩阵。

[0115] S402、根据奇异值矩阵，生成回波观测数据对应的信号子空间。

[0116] 设回波观测数据对应的信号子空间表示为Y ，其中 为 的K个左奇异值（可以是取所有左奇异值里排序前K的左奇异值）对应的奇异向量组成的矩阵，， 为K个大奇异值（奇异值对应的对角矩阵中的前K个奇异值）
构成的矩阵， ， 表示第m个奇异值， 为单位矩阵。

[0117] S403、根据信号子空间以及回波观测数据与阵列流型矩阵的函数关系，构建目标函数关系。

[0118] 那么，基于 、以及信号子空间与回波观测数据的关系，可将波达方向估计问题转化成如下的稀疏重构问题，得到的目标函数关系可以采用如下的公式来表示：

[0119]

[0120] 其中， 表示Frobenius范数， ， 表示0范数，为正则化参数， 。

[0121] 可选地，目标函数关系包括第一函数关系和第二函数关系，第一函数关系用于表征信号子空间、回波观测数据以及待估算参数之间的关系，待估算参数包括：信号稀疏矩阵及各待测信源的回波波达方向。

[0122] 基于上述得到的目标函数关系的表达式，目标函数关系中的第一函数关系可以指，第二函数关系可以指 。

[0123] 图5为本申请实施例提供的相干信源波达方向估算方法的流程示意图五；可选地，步骤S102中，根据回波观测数据中的信号子空间和信号稀疏矩阵，以及各待测信源的回波波达方向与信号子空间和信号稀疏矩阵之间的目标函数关系，确定各待测信源的回波波达方向，可以包括：

[0124] S501、根据设定的当前迭代后的各待测信源的回波波达方向，对目标函数关系进行转换，生成新的目标函数关系。

[0125] 上述稀疏重构问题的求解过程中，需要对 、迭代求解，假设 为第i‑1次迭代后 的结果，将 代入，上述目标函数关系的表达式转换为下式所表示的新的目标函数关系。

[0126] 其中 ，  新的目标函数关系的表达式中第一函数关系式是通过将中得到的，第二函数关系则设定为固定值K，
也即待测信源个数。

[0127]

[0128] S502、根据当前迭代对应的目标支撑集，确定当前迭代中各待测信源的回波波达方向。

[0129] 针对上式，令 ，再定义 的支撑集 ，中包含了 中不为零的列，针对一次迭代，首先对当前迭代对应的目标支撑集进行循环求解，基于求解得到的目标支撑集，求解得到当前迭代中各待测信源的回波波达方向。

[0130] S503、判断当前迭代中各待测信源的回波波达方向与前一次迭代中各待测信源的回波波达方向的差值的2范数是否满足收敛条件，若是，则停止迭代，将当前迭代中各待测信源的回波波达方向确定为各待测信源的回波波达方向。

[0131] 假设当前迭代中各待测信源的回波波达方向为 ，前一次迭代中各待测信源的回波波达方向为 ，判断 与 是否满足收敛条件：

[0132] 其中， 为一个给定的迭代收敛精度值； 表示2范数。

[0133] 若当前迭代中各待测信源的回波波达方向与前一次迭代中各待测信源的回波波达方向满足上述收敛条件，则可停止迭代，将当前迭代中计算得到的各待测信源的回波波达方向确定为各待测信源的回波波达方向。

[0134] S504、若否，则迭代执行，直至满足收敛条件。

[0135] 而若当前迭代中各待测信源的回波波达方向与前一次迭代中各待测信源的回波波达方向不满足上述收敛条件，则更新迭代次数，重复执行上述步骤，直至计算得到各待测信源的回波波达方向。

[0136] 图6为本申请实施例提供的相干信源波达方向估算方法的流程示意图六；可选地，步骤S502中，根据当前迭代对应的目标支撑集，确定当前迭代中各待测信源的回波波达方向，可以包括：

[0137] S601、根据信号子空间模型确定初始的残差矩阵、并分别确定初始的支撑集及初始的循环次数，支撑集表征预设的空域角度完备集合中各角度的标识。

[0138] 本实施例中对于支撑集 、 和 迭代求解的过程进行说明：

[0139] 设置残差矩阵 ，并初始化为 ，初始化支撑集 （为空）；初始化循环次数 。

[0140] 可以为空域角度完备集合中每个角度元素分配一标识，而支撑集则包含的为角度标识。

[0141] S602、根据当前循环对应的前一次循环中支撑集所包含的元素及残差矩阵，生成当前循环中的新的支撑集及新的残差矩阵，循环执行，直至当前的循环次数满足预设条件，则停止循环，得到当前迭代对应的目标支撑集。

[0142] 假设 是支撑集中的一个元素，那么 可由下式求解：初始时 ，为空，计算出后，将 加入 ，得到新的支撑集 ，

[0143]

[0144] 其中 为在k‑1次循环中由支撑集 中元素对应 的列向量集合。

[0145] 假设第k‑1次循环中得到的目标支撑集为 ，那么，更新支撑集，更新残差矩阵 ，更新循环次
数 ，直至循环次数 时，也即循环次数为信源个数时，停止循环，将当前计算
得到的支撑集作为当前迭代对应的目标支撑集 。

[0146] S603、根据当前迭代对应的目标支撑集，确定当前迭代中信号的稀疏矩阵。

[0147] 可选地，基于第i次迭代得到的目标支撑集 ，可采用如下公式计算第i次迭代中信号稀疏矩阵 的结果 如下：

[0148]

[0149] S604、根据当前迭代中信号的稀疏矩阵，确定当前迭代中各待测信源的回波波达方向。

[0150] 将 代入新的目标函数的第一函数关系中，求解 ；

[0151]

[0152] 根据 与 之间的转换关系 ，可以对进行向量化，得到结果如下所示：

[0153]

[0154] 其中， 表示矢量化， 表示Khatri‑Rao积， 表示2范数。

[0155] 对于上式求解 的表达式，当快采样点数L较少、噪声不是白噪声时，依据上式求解结果的稳健性会急剧下降，此时可以将上式转化为下式进行求
解：

[0156]

[0157] 其中 ，表示观测矩阵 中关于行的非零对角的互协方差矩阵， 表示Kronecker积， 为单位矩阵，可以通过凸优化求解上式，得到更具鲁棒性的 的结果。

[0158] 上述过程为针对一次迭代中各待测信号的回波波达方向的计算。更新迭代次数；重复执行上述步骤，直至满足收敛条件 ，则停止迭代，将当前迭代中计算得到的各待测信号的回波波达方向确定为各待测信号的回波波达方向。

[0159] 综上，本实施例提供的相干信源波达方向估算方法，基于信源的回波波达方向、回波观测数据的信号子空间以及信号稀疏矩阵等参数信息，构建了各待测信源的回波波达方向与信号子空间和信号稀疏矩阵之间的目标函数关系，从而通过求解目标函数关系，对各目标函数关系中各待测信源的回波波达方向进行求解，得到精确的波达方向估算结果。通过将波达方向估计问题转换为目标函数关系求解问题，从而快速且精确的估算得到待测信源的波达方向，并且一定程度上可减少运算量。

[0160] 下述对用以执行本申请所提供的相干信源波达方向估算方法的装置、设备及存储介质等进行说明，其具体的实现过程以及技术效果参见上述，下述不再赘述。

[0161] 图7为本申请实施例提供的一种相干信源波达方向估算装置的示意图，该相干信源波达方向估算装置实现的功能对应上述方法执行的步骤。该装置可以理解为上述雷达设备中的主机设备，如图7所示，该装置可包括：生成模块710、确定模块720；

[0162] 生成模块710，用于根据预先搭建的天线阵列中各阵元接收的至少一个待测信源的回波信号，生成至少一个待测信源对应的回波观测数据；

[0163] 确定模块720，用于根据回波观测数据中的信号子空间和信号稀疏矩阵，以及各待测信源的回波波达方向与信号子空间和信号稀疏矩阵之间的目标函数关系，确定各待测信源的回波波达方向，其中，信号稀疏矩阵根据天线阵列的发射信号构建。

[0164] 可选地，该装置还包括：构建模块；

[0165] 构建模块，用于根据各待测信源的阵列流型矩阵，对回波观测数据进行建模，构建回波观测数据与阵列流型矩阵的函数关系，各待测信源的阵列流型矩阵与各待测信源的回波波达方向具有预设的对应关系；

[0166] 根据信号子空间以及回波观测数据与阵列流型矩阵的函数关系，构建目标函数关系。

[0167] 可选地，构建模块，具体用于根据各待测信源的回波波达方向、波长以及天线阵列中各阵元的间隔，构建各待测信源的阵列流型矩阵；

[0168] 采用预设的空域角度完备集合，对各待测信源的阵列流型矩阵进行泰勒展开处理，生成处理后的各待测信源的阵列流型矩阵；

[0169] 根据处理后的各待测信源的阵列流型矩阵、空域角度完备集合、信号稀疏矩阵及噪声矩阵，构建回波观测数据与阵列流型矩阵的函数关系。

[0170] 可选地，构建模块，具体用于对回波观测数据进行奇异值变换处理，生成回波观测数据对应的奇异值矩阵；

[0171] 根据奇异值矩阵，生成回波观测数据对应的信号子空间；

[0172] 根据信号子空间以及回波观测数据与阵列流型矩阵的函数关系，构建目标函数关系。

[0173] 可选地，目标函数关系包括第一函数关系和第二函数关系，第一函数关系用于表征信号子空间、回波观测数据以及待估算参数之间的关系，待估算参数包括：信号稀疏矩阵及各待测信源的回波波达方向。

[0174] 可选地，确定模块720，具体用于根据设定的当前迭代后的各待测信源的回波波达方向，对目标函数关系进行转换，生成新的目标函数关系；

[0175] 根据当前迭代对应的目标支撑集，确定当前迭代中各待测信源的回波波达方向；

[0176] 判断当前迭代中各待测信源的回波波达方向与前一次迭代中各待测信源的回波波达方向的差值的2范数是否满足收敛条件，若是，则停止迭代，将当前迭代中各待测信源的回波波达方向确定为各待测信源的回波波达方向；

[0177] 若否，则迭代执行，直至满足收敛条件。

[0178] 可选地，确定模块720，具体用于根据信号子空间模型确定初始的残差矩阵、并分别确定初始的支撑集及初始的循环次数，支撑集表征预设的空域角度完备集合中各角度的标识；

[0179] 根据当前循环对应的前一次循环中支撑集所包含的元素及残差矩阵，生成当前循环中的新的支撑集及新的残差矩阵，循环执行，直至当前的循环次数满足预设条件，则停止循环，得到当前迭代对应的目标支撑集；

[0180] 根据当前迭代对应的目标支撑集，确定当前迭代中信号的稀疏矩阵；

[0181] 根据当前迭代中信号的稀疏矩阵，确定当前迭代中各待测信源的回波波达方向。

[0182] 上述装置用于执行前述实施例提供的方法，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。

[0183] 以上这些模块可以是被配置成实施以上方法的一个或多个集成电路，例如：一个或多个特定集成电路（Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC），或，一个或多个微处理器（digital singnal processor，简称DSP），或，一个或者多个现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，简称FPGA）等。再如，当以上某个模块通过处理元件调度程序代码的形式实现时，该处理元件可以是通用处理器，例如中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）或其它可以调用程序代码的处理器。再如，这些模块可以集成在一起，以片上系统（system‑on‑a‑chip，简称SOC）的形式实现。

[0184] 上述模块可以经由有线连接或无线连接彼此连接或通信。有线连接可以包括金属线缆、光缆、混合线缆等，或其任意组合。无线连接可以包括通过LAN、WAN、蓝牙、ZigBee、或NFC等形式的连接，或其任意组合。 两个或更多个模块可以组合为单个模块，并且任何一个模块可以分成两个或更多个单元。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考方法实施例中的对应过程，本申请中不再赘述。

[0185] 图8为本申请实施例提供的一种处理设备的结构示意图，设处理设备可以为上述雷达设备中的信号处理板，也可以为独立于雷达设备之外，与雷达设备的信号处理板相互通信的电子设备。

[0186] 该装置可包括：处理器801、存储介质802。

[0187] 存储介质802用于存储程序，处理器801调用存储介质802存储的程序，以执行上述方法实施例。具体实现方式和技术效果类似，这里不再赘述。

[0188] 其中，存储介质802存储有程序代码，当程序代码被处理器801执行时，使得处理器801执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本申请各种示例性实施方式的相干信源波达方向估算方法中的各种步骤。

[0189] 处理器801可以是通用处理器，例如中央处理器（CPU）、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、专用集成电路（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，可以实现或者执行本申请实施例中公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。

[0190] 存储介质802作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块。存储介质可以包括至少一种类型的存储介质，例如可以包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储介质、随机访问存储介质（Random Access Memory，RAM）、静态随机访问存储介质（Static Random Access Memory，SRAM）、可编程只读存储介质（Programmable Read Only Memory，PROM）、只读存储介质（Read Only Memory，ROM）、带电可擦除可编程只读存储介质（Electrically Erasable Programmable Read‑Only Memory，EEPROM）、磁性存储介质、磁盘、光盘等等。存储介质是能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。本申请实施例中的存储介质802还可以是电路或者其它任意能够实现存储功能的装置，用于存储程序指令和/或数据。

[0191] 可选地，本申请还提供一种程序产品，例如计算机可读存储介质，包括程序，该程序在被处理器执行时用于执行上述方法实施例。

[0192] 在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，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信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

[0193] 所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

[0194] 另外，在本申请各个实施例中的各功能单元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，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

[0195] 上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）或处理器（英文：processor）执行本申请各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储介质（英文：Read‑Only Memory，简称：ROM）、随机存取存储介质（英文：Random Access Memory，简称：RAM）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。