[發明專利]基于L型傳感器陣列的非相干信號二維波達方向跟蹤方法及裝置有效

申請號：	201210190774.6	申請日：	2012-06-11
公開（公告）號：	CN102721943A	公開（公告）日：	2012-10-10
發明（設計）人：	劉暢農;辛景民;王光敏;鄭南寧	申請（專利權）人：	西安交通大學
主分類號：	G01S3/14	分類號：	G01S3/14;G01S3/12
代理公司：	西安通大專利代理有限責任公司 61200	代理人：	徐文權
地址：	710049 ***	國省代碼：	陜西;61
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摘要：
搜索關鍵詞：	基于傳感器陣列相干信號二維方向跟蹤方法裝置
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【說明書】：

技術領域：

本發明屬于通信領域，涉及二維波達方向的估計與跟蹤，具體涉及一種基于L型傳感器陣列的非相干信號二維波達方向跟蹤方法及裝置。

背景技術：

陣列信號處理的實際應用包括雷達、聲納、通信等，多入射信號的二維（2-D）波達方向（DOA）（例如，方位角和仰角）必須從眾多的測量中估計得到。隨著維數的增加，二維估計問題比一維更加復雜，并且估計的方位角必須與同一入射信號的仰角對應起來。最大似然法（ML）為二維問題提供了一種最優解，但是在參數空間計算繁重的多維搜索常常需要獲得似然函數的全局最大值。由于他們比最大似然法的實現簡單，許多基于特征結構和平面陣列（如，均勻圓形陣列和矩形陣列）的次優的方法已經由解決一維問題發展為解決二維波達角度估計問題。

二維波達方向估計的計算復雜度通常會受到陣列幾何結構的影響，這些特殊的構造可以經過研究發展為計算高效的DOA估計方法。近年來，一種L型陣列受到了很大的關注，這種陣列由兩列均勻線性陣列（ULA）直角連接組成，與傳統的平面陣列相比它具有一些幾何結構和實現方面的優勢，且比其他具有兩列或更多ULA的簡單結構的平面陣列具有更高的估計精確度。很多需要特征分解的二維DOA估計方法都是使用的L陣，其中陣列放置在x-y平面或者x-z平面。傳統的二維估計問題可分解為兩個獨立的一維估計問題，并且經過深入研究的一維基于子空間的方法可以直接應用于避免計算復雜的多維搜索與優化。ESPRIT這類方法提供了通過矩陣的特征值對方位角和仰角自配對的封閉型的估計，其它方法都是通過配對過程。然而，現存的配對技術的計算代價很高，并且經常不能提供正確的配對結果，所以，配對失敗會造成估計失敗。對于上述估計失敗的措施在上面提到的二維估計方法中還沒有考慮。另外，這些方法都存在計算密集和費時的特征分解過程，因此不能應用到實時過程中。

另一方面，眾多的一維波達方向（如，方位角）跟蹤的算法都已經載入文獻，但是多運動目標的二維跟蹤問題還沒有經過廣泛深入的研究，且難點主要在方位角和仰角的配對以及在連續兩個時間間隔下這些估計的結合。通過擴展一維遞歸算法或基于漸變的迭代搜索算法到二維場景下，目前提出的兩種不同的二維DOA跟蹤算法利用的是矩形平面陣列。即使方位角和仰角的連接關系就在估計本身中，它們需要特征值分解的MUSIC方法來確定噪聲方差、信號協方差矩陣、仰角方位角的初步估計。因此它們的跟蹤效果受參數精度的影響，當信噪比（SNR）較低時估計性能會降低。另外，聯合二維DOA跟蹤算法在估計DOA及在每個時間間隔最小化關聯仰角和方位角的估計過程中仍舊存在計算計算量很大的特征值分解過程，即使子空間的更新是通過使用低秩自適應濾波器完成的。

發明內容：

本發明提供了基于L型傳感器陣列的非相干信號二維波達方向跟蹤方法及裝置，在兩個連續的時間間隔內的方位角和仰角的關聯可由動態模型和倫貝格狀態觀測器解決。。該方法無需特征值分解，計算簡單有效，同時能夠解決入射信號軌跡有交叉情況下的信號二維波達方向跟蹤。

具體如下：

一種基于L型傳感器陣列的非相干信號二維波達方向跟蹤方法，包括以下步驟：

1)估計信號的方位角和仰角的初始值；

2)初始化倫伯格觀測器，由已估計的狀態向量計算定義的狀態向量以及定義的方向角；

3)在方向向量更新的間隔內，估計瞬時互協方差矩陣；

4)計算估計的正交投影；

5)預測方向角之間的增量；

6)根據所述初始值和所述增量，更新狀態向量，并得到的新的波達方向角更新方向更新的間隔索引，返回步驟2）。

一種方向估計與跟蹤裝置，用于利用陣列天線來估計和跟蹤入射信號的到達方向，該陣列天線具有兩列成直角的陣列傳感器組成，每列傳感器以相同的間隔設置在不同空間位置上的多個天線陣子，該裝置包括：

初始值估計裝置，估計空間緩慢移動的信號的波達方向初始值；