[發明專利]一種基于協方差低維度迭代稀疏重構的相關/相干信號波達方向估計方法

有效

• 申請號: 201710583939.9
• 申請日: 2017-07-18
• 公開（公告）號: CN107576931B
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發明（設計）人: 段惠萍;殷允杰;張新月;梁瀚明;方俊
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01S3/14
• 分類號: G01S3/14;G01S3/782;G01S3/802
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 甘茂

本發明屬于陣列信號處理領域，提供一種基于協方差低維度迭代稀疏重構的相關/相干信號波達方向估計方法，該方法：(1)通過Khatri?Rao積建立低維度的協方差稀疏重構模型，對信號協方差矩陣上的主對角元素進行估計；(2)根據非零主對角元素位置擴展稀疏重構字典，再次利用稀疏重構算法估計信號協方差矩陣的非對角元素；(3)根據非對角元素更新稀疏重構模型，利用稀疏重構算法重新估計信號協方差矩陣的主對角元素；重復上述(2)、(3)，即可根據最終的信號協方差矩陣主對角線元素估計出信號的波達方向。本發明不僅能夠充分利用特殊陣列幾何分布帶來的自由度，還能有效降低計算復雜度并獲得良好的估計精度。

技術領域

本發明屬于陣列信號處理領域，具體提供一種基于協方差低維度迭代稀疏重構的相關/相干信號波達方向估計方法。

背景技術

波達方向估計是陣列信號處理的一個重要研究方向，主要應用于雷達、聲納、通信、地震勘探、醫學診斷以及射電天文等諸多經濟和軍事領域。對于相互獨立的空間信號，可以使用傳感器陣列接收觀測數據并采用子空間算法或稀疏重構算法對其波達方向進行估計。但是在實際環境中，由于多徑傳播等原因會導致相關或相干信號的存在，雖然基于子空間算法的DOA估計可以采用空間平滑技術實現去相關，但是空間平滑會導致陣列的有效孔徑變小、分辨率降低以及自由度損失。為了能夠估計相關信號的波達方向并同時提高陣列有效孔徑獲得較高的分辨率，人們提出了內插陣列、部分均勻線性陣列等方法，但這些方法均是先對信號進行初始估計，然后再進行空間平滑處理，因此，它們都是屬于子空間一類的估計方法。近年來使用稀疏重構進行波達方向估計的方法成為研究熱點，主要包括基于觀測向量的稀疏重構算法和基于協方差矩陣的稀疏重構算法，這兩類方法有以下優缺點：1)前者無需估計協方差矩陣，因此可以處理相關或相干信號，后者卻由于要將矢量化的協方差矩陣作為觀測向量，在處理相關或相干信號時需要使用Kronecker積構造稀疏重構字典，存在計算復雜度過高的問題；2)相對于前者，基于協方差矩陣的稀疏重構算法能夠帶來更高的自由度，也就是說，在相同的觀測數據下，后者能夠估計的信號個數更多。

為了獲得更高的自由度，并且又能以較低的復雜度處理相關信號，本發明設計一種基于協方差矩陣的低維度迭代稀疏重構算法。它可以應用于均勻陣列和非均勻陣列，能夠克服子空間方法對相關信號的敏感性，避免空間平滑帶來的自由度損失，能夠顯著降低已有協方差矩陣稀疏重構算法的計算復雜度，具有較高的估計精度。

發明內容

本發明的目的在于針對子空間方法使用空間平滑造成自由度損失的問題以及現有協方差稀疏重構算法在估計相關及相干信號波達方向時存在復雜度過高的問題，提出了一種基于協方差低維度迭代稀疏重構的相關/相干信號波達方向估計方法，該方法能夠應用于均勻陣列和非均勻陣列，能夠避免空間平滑造成的自由度損失，顯著降低已有協方差稀疏重構算法的計算復雜度，具有較高的估計精度。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種基于協方差低維度迭代稀疏重構的相關/相干信號波達方向估計方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、K個遠場窄帶信號入射到由N個陣元組成的均勻或非均勻線性陣列上，將陣列接收信號表示成向量形式：

x(t)＝As(t)+v(t),t＝1,2,...,T

其中，A為方向矩陣，s(t)為遠場窄帶信號向量，v(t)為零均值高斯白噪聲，T為快拍數；

步驟2、計算陣列接收信號的協方差矩陣R_x：

其中，R_s為遠場窄帶信號的協方差矩陣，為噪聲的協方差矩陣；

并對R_x做矢量化處理：