[發明專利]基于范德蒙分解的互質陣列波達方向估計方法

在審

• 申請號: 201710313256.1
• 申請日: 2017-05-05
• 公開（公告）號: CN107290709A
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 周成偉;史治國;陳積明;沈一帆;樊星
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01S3/00
• 分類號: G01S3/00;G01S3/14;G01S3/782
• 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范德蒙分解的互質陣列波達方向估計方法，主要解決現有技術中自由度性能受限與計算復雜度高的問題，其實現步驟是：接收端天線按互質陣列結構進行架構；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；構造虛擬陣列協方差矩陣；對虛擬陣列協方差矩陣進行去噪處理；將去噪后的虛擬陣列協方差矩陣進行具有唯一性的范德蒙分解；將范德蒙分解所得參量與理論值一一對應獲得波達方向和功率估計結果。本發明充分利用了互質陣列能夠增加自由度的優勢和范德蒙分解方法無需預先設置網格點的特點，在降低計算復雜度的同時實現波達方向估計方法自由度的增加，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，具體是一種基于范德蒙分解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，并通過統計信號處理技術和各類優化方法對接收信號進行處理，以恢復信號中包含的DOA信息，在雷達、聲吶、語音、無線通信等領域有著廣泛的應用。

DOA估計方法的自由度是指其能夠分辨的入射信號源個數，作為實際系統應用中的一個重要性能指標，決定著系統的總體復雜度?，F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，即最多只能分辨L-1個入射信號。因此，當某個空域范圍內入射信號源的個數大于或等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。為了增加自由度，傳統方法需要通過增加物理天線陣元及相應的射頻模塊來實現，這造成了系統計算復雜度和硬件復雜度的增加。因此，現有采用均勻線性陣列的DOA估計方法在自由度性能與計算復雜度之間存在著一定的利弊權衡問題。

與均勻陣列相比，互質陣列能夠采用相同個數的天線陣元取得更多的自由度，因而受到了廣泛關注。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?，F有的基于互質陣列的DOA估計方法可以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，現有基于等價虛擬信號的方法通常需要通過設置預先定義的網格點來設計優化問題，從而進行DOA估計。由于實際中信號的來波方向不會完全位于這些預先定義的網格點上，導致了DOA估計的精度受限于網格密度。盡管可以通過減小網格間的采樣間隔實現估計精度的提升，網格點的密集化將導致方法計算復雜度的指數型增長。此外，現有的DOA估計方法的頻譜圖通常為偽譜，其DOA估計方向的波峰響應無法用來表示信號功率；而事實上，信號功率也是描述信號源的一個重要參量，我們希望頻譜圖能夠在估計波達方向的同時反映其功率信息。

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，提出一種基于范德蒙分解的互質陣列波達方向估計方法，通過利用互質陣列的特性推導虛擬域等價接收信號，以提升估計方法的自由度，并對虛擬陣列協方差矩陣進行具有唯一性的范德蒙分解，在進行無網格化波達方向估計的同時實現了相應波達方向上的功率估計，從而在實際應用過程中降低了計算復雜度和硬件復雜度，提高了系統的整體效率和估計精確度。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種基于范德蒙分解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2M+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，且M<N；