[發明專利]基于雙層平行圓陣列天線的DOA估計方法

有效

• 申請號: 201710139679.6
• 申請日: 2017-03-09
• 公開（公告）號: CN106802402B
• 公開（公告）日: 2019-04-19
• 發明（設計）人: 相征;嚴興霞;任鵬;劉明輝
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G01S3/14
• 分類號: G01S3/14
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 韋全生;王品華

本發明提出了一種基于雙層平行圓陣列天線的DOA估計方法，用于解決現有技術中存在的多個信號的入射角過于接近時DOA估計精度低和因譜峰搜索引起的運算量大的問題，實現步驟為：1.獲取雙層平行圓陣列天線的相關參數、信號源的相關參數、噪聲相關參數、雙層平行圓陣列天線軸向虛擬平移操作的相關參數；2.計算上層子圓陣的導向矢量矩陣；3.計算自協方差矩陣和互協方差矩陣；4.計算信號子空間的自相關矩陣的偽逆矩陣；5.計算波達方向矩陣；6.計算入射信號源的俯仰角和方位角。本發明具有運算量小、當入射角非常接近時DOA估計精度高等特點，可用于信號DOA估計處理系統。

技術領域

本發明屬于信號處理技術領域，涉及一種信號DOA估計方法，具體涉及一種基于雙層平行圓陣列天線的DOA估計方法，可用于信號DOA估計處理系統。

背景技術

波達方向(DOA)是信號源到達陣列天線的方向，該方向可以由方位角和俯仰角來表示。DOA估計即是在某個空間陣列接收模型下對來波方向的方位角和俯仰角進行估計。空間陣列接收模型包括線陣和面陣。基于線陣的DOA估計只可估計[-π/2，π/2]的方位信息，基于面陣的DOA估計系統能估計[-π，π]的方位角和[0，π/2]的俯仰角信息，作為面陣中的一種，均勻圓面陣陣列結構具有對稱性，在平面旋轉時波束魯棒性好，因此基于均勻圓陣的信號DOA估計一直是陣列信號處理領域的研究熱點。在陣列信號處理中，DOA估計精度越高，對干擾的抑制能力就越強，信道容量就越大。傳統的DOA估計算法包括：Bartlett波束形成法、Capon最小方差法和多重信號分類(MUSIC)法。Bartlett算法在只有一個信號時是可行的，但當存在多個信號源入射時性能估計會急劇下降，同時，該方法受到旁瓣高度和波束寬度的限制，因此空間分辨率比較低。Capon算法能提供更佳的空間分辨率，但是需要掃描整個空間，尋找空間譜的峰值，同時還需要求解接收信號的協方差矩陣的逆矩陣，計算量非常大，而且若空間中存在與期望信號相關的其他干擾信號，相關的干擾信號會惡性與期望信號合并，導致估計性能急劇下降。

MUSIC算法利用陣列模型計算信號的導向矢量矩陣，利用陣列模型接收的樣本數據計算數據協方差矩陣，利用數據協方差矩陣計算噪聲子空間的特征向量矩陣，利用信號的導向矢量矩陣和噪聲子空間的特征向量矩陣構造空間譜的估計式，通過搜索空間譜的譜峰值，可以找到譜峰值對應的角度，該角度即為波達方向角度，MUSIC算法能夠同時對多個信號進行DOA估計并且具有較高的分辨率，但它也需要進行空間譜的譜峰搜索，計算量很大，而且當信源高度相關或者入射角過于接近時，會使計算所得的包含角度信息的噪聲子空間的特征向量不準確，導致空間譜估計式的分辨率低，空間譜估計式的分辨率低會使DOA估計精度低。針對MUSIC算法存在的不足，出現了一種改進型的方法，例如授權公告號為CN103546221 B、授權公告日為2015.09.16，名稱為“一種寬帶相干信號波達角估計方法”的發明專利，利用變換矩陣對不同頻點處的協方差矩陣進行變換，構造導向矩陣協方差矩陣；利用導向協方差矩陣估計傳播算子和噪聲子空間，并進行噪聲子空間正交化；采用MUSIC算法計算空間譜并進行波達角估計。該方法針對傳統MUSIC算法中信源高度相關時估計精度不高的問題，在不影響非相干信源DOA估計的基礎上，提高了對相干信源的估計性能。該方法也存在不足之處：利用中間參數的特征向量，通過譜峰搜索來估計信號的波達方向，對空間譜譜峰搜索增加了運算量，而且因計算過程中的得到的特征向量并不能直接對應源信號的方向矢量，所以當多個信號的入射角過于接近時，該方法的分辨率較低，會使DOA估計精度不高。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術存在的不足，提出了一種基于雙層平行圓陣列天線的DOA估計方法，采用陣元在圓周上均勻分布的雙層平行圓陣列為信號的接收模型，構造包含源信號空間基底的矩陣，對該矩陣進行特征分解可得到特征值和特征值對應的特征向量，利用該特征值對應源信號的方向元素和方向矢量，可直接求解出源信號的俯仰角和方位角，用于解決現有技術中存在的多個信號的入射角過于接近時DOA估計精度低和因譜峰搜索引起的運算量大的問題。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案包括如下步驟：