[發明專利]基于內插虛擬陣列協方差矩陣Toeplitz化重建的互質陣列波達方向估計方法

有效

• 申請號: 201710302892.4
• 申請日: 2017-05-03
• 公開（公告）號: CN107329108B
• 公開（公告）日: 2019-07-23
• 發明（設計）人: 周成偉;樊星;史治國;陳積明
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01S3/14
• 分類號: G01S3/14;G01S3/782;G01S3/802
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜;邱啟旺

本發明公開了一種基于內插虛擬陣列協方差矩陣Toeplitz化重建的互質陣列波達方向估計方法，主要解決現有技術中虛擬陣列的非均勻性所導致的信息損失問題。其實現步驟是：接收端架構互質陣列；利用互質陣列接收入射信號并建模；計算互質陣列接收信號所對應的等價虛擬信號；構造內插虛擬陣列并建模；構造內插虛擬陣列的多采樣快拍信號及其采樣協方差矩陣；構造投影矩陣并定義與該投影矩陣相關的投影運算；根據原始虛擬陣列中的全部信息構建參考協方差矩陣，設計基于內插虛擬陣列協方差矩陣Toeplitz化重建的優化問題并求解；根據重建的內插虛擬陣列協方差矩陣進行波達方向估計。本發明提高了信號波達方向估計的自由度及分辨率，可用于無源定位和目標探測。

技術領域

本發明屬于信號處理技術領域，尤其涉及對雷達信號、聲學信號及電磁信號的波達方向估計，具體是一種基于內插虛擬陣列協方差矩陣Toeplitz化重建的互質陣列波達方向估計方法，可用于無源定位和目標探測。

背景技術

波達方向(Direction-of-Arrival,DOA)估計是陣列信號處理領域的一個重要分支，它是指利用陣列天線接收空域信號，并通過現代信號處理技術和各類優化方法實現對接收信號統計量的有效處理，從而實現信號的DOA估計，在雷達、聲吶、語音、無線通信等領域有著重要的應用價值。

DOA估計方法的自由度是指其能夠估計的入射信號源的個數。現有的DOA估計方法通常采用均勻線性陣列進行信號的接收與建模，但是基于均勻線性陣列方法的自由度受限于實際天線陣元個數。具體而言，對于一個包含L個天線陣元的均勻線性陣列，其自由度為L-1。因此，當某個空域范圍內入射信號源的個數大于陣列中天線陣元的個數時，現有采用均勻線性陣列的方法將無法進行有效的DOA估計。

互質陣列能夠在天線陣元個數一定的前提下增加DOA估計的自由度，因而受到了學術界的廣泛關注。作為互質采樣技術在空間域上的一個典型表現形式，互質陣列提供了一個系統化的稀疏陣列架構方案，并能夠突破傳統均勻線性陣列自由度受限的瓶頸，實現DOA估計方法自由度性能的提升。現有的基于互質陣列的DOA估計方法主要通過利用質數的性質將互質陣列推導到虛擬域，并形成等價虛擬均勻線性陣列接收信號以實現DOA估計。由于虛擬陣列中包含的虛擬陣元數大于實際的天線陣元數，自由度因此得到了有效的提升。但是由于從互質陣列推導而來的虛擬陣列屬于非均勻陣列，因此很多現有基于均勻線性陣列的信號處理方法無法直接應用于虛擬陣列等價接收信號的DOA估計。當前采用互質陣列的DOA估計方法常用的一個解決方案是，僅利用虛擬陣列中連續的陣元部分形成一個虛擬均勻線陣以進行DOA估計，但是這造成了部分原始信息的丟失和相關估計性能的降低。

發明內容

本發明的目的在于針對上述現有技術存在的不足，提出一種基于內插虛擬陣列協方差矩陣Toeplitz化重建的互質陣列波達方向估計方法，充分利用了非均勻虛擬陣列所提供的全部信息，從而提高了DOA估計的自由度與分辨率。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種基于內插虛擬陣列協方差矩陣Toeplitz化重建的互質陣列波達方向估計方法，包含以下步驟：

(1)接收端使用M+N-1個天線，并按照互質陣列結構進行架構；其中M與N為互質整數；

(2)假設有K個來自θ₁,θ₂,…,θ_K方向的遠場窄帶非相干信號源，則(M+N-1)×1維互質陣列接收信號x(t)可建模為：

其中，s_k(t)為信號波形，n(t)為與各信號源相互獨立的噪聲分量，a(θ_k)為θ_k方向的導引矢量，表示為：