[發(fā)明專利]一種均勻圓陣二維波達方向快速估計方法

在審

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• 申請日: 2017-11-14
• 公開（公告）號: CN107918108A
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發(fā)明（設計）人: 劉松;龐育才;翁明江;余翔
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: G01S3/46
• 分類號: G01S3/46
• 代理公司: 北京同恒源知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11275
• 代理人: 趙榮之

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于波達方向/空間譜估計技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種均勻圓陣二維波達方向快速估計方法。

背景技術(shù)

空間信號的二維波達方向(2D DoA，2-Dimention Direction-of-Arrival)估計，或者稱為二維空間譜(Spatial Spectrum)估計技術(shù)，是在一維DoA估計技術(shù)的基礎上發(fā)展而來的，具有較大的實用價值。利用相控陣列，結(jié)合先進的DoA估計技術(shù)對空間目標進行定位，已經(jīng)在雷達、聲納、氣象預測、天文觀測等領(lǐng)域有著大量應用。新一代寬帶無線通信系統(tǒng)，如4G/5G，利用“智能天線”來準確估計用戶的方向，從而利用波束成形技術(shù)生成窄的無線波束與之通信，能有效降低系統(tǒng)能耗，從而提高系統(tǒng)容量。此外在地震源的確定，射線斷層成像等都需要用到DoA估計技術(shù)。由于均勻圓陣((UCA，Uniform Circular Array)能提供方位角和俯仰角上的2D DoA分辨能力，而且由于它具有的圓對稱性，沿360度方位角方向上的分辨能力基本相同，因此得到了大量的應用和研究。基于UCA的2D DoA估計研究一直是DoA估計領(lǐng)域的重點和熱點內(nèi)容，要求估計結(jié)果有著較高的可靠性的，即估計結(jié)果要求準確；又需要估計過程具有高效性，即估計速度要求足夠快，便于實時系統(tǒng)的實現(xiàn)；此外，若實際的平面陣列是其它不規(guī)則平面陣列，DoA估計算法還要能正常工作，即估計算法具有擴展性。

傳統(tǒng)的DoA估計方法利用較窄的無線電波對目標空間進行掃描，然后接收回波信號并進行處理。若空間中某個方向上的接收能量較大(電波反射)，例如通過匹配濾波，就可確定該方向上有空間目標，也即估計出該回波的DoA。這種估計方法一般稱為Bartlett波束形成法，其空間分辨率受瑞利限限制，即不能分辨出同一個波束寬度內(nèi)的多個空間目標；而后基于最小方差無畸變響應(MVDR，Minimum Variance Distortionless Response)原理的Capon算法或者最大熵法(MEM，Maximum Entropy Method)取得了高于瑞利限的空間分辨能力，稱為高分辨率空間譜估計算法；而由多重信號分類(MUSIC，Multiple Signal Classification)算法，利用旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)估計信號參數(shù)(ESPRIT，Estimation of Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques，)算法以及最大似然(ML，Maximum Likelihood)算法為代表的超分辨率DoA估計算法在DoA估計領(lǐng)域內(nèi)具有里程碑的意義。通過這些算法，可以獲得針狀的空間譜估計，空間分辨能力獲得數(shù)量級的提升，因此超分辨率DoA估計算法獲得了大量的關(guān)注和研究。

一般來講，ML類DoA估計算法估計精度高，均方誤差小，但要涉及高維參數(shù)搜素，運算量較大；雖然有牛頓法，準牛頓法，交替迭代法等優(yōu)化方法，但容易獲得局部最優(yōu)解，并且運算量仍然較高；MUSIC類算法可以普遍適用于各種結(jié)構(gòu)陣列，因此也能用于圓陣的DoA估計，但對于2D DoA估計，MUSIC方法需要進行二維角度搜索，運算量也相當大，不利于實時系統(tǒng)；經(jīng)典ESPRIT算法基于代數(shù)形式的解，運算效率最高，但要求陣列具有移不變結(jié)構(gòu)，因此限制了該算法的應用范圍。對于均勻圓陣，可以利用圓對稱性質(zhì)對圓陣的流行矢量進行Jacobi-Anger展開，從而在相位模式空間中得到RB(Real Beamspace)-ROOT-MUSIC、UCA-ESPRIT以及UCA-RARE(Rank Reduction)等快速DoA估計算法。但這些算法在展開式的基礎上進行模式截取，引入截斷誤差，因此得到的DoA估計結(jié)果是有偏差的。為減少估計偏差，需要增加模式，這樣又導致了運算量的增加。此外，適用于UCA的快速DoA估計算法不適用于其他不規(guī)則平面陣列，不具有擴展性。

因此，設計一種能適用于UCA，也能擴展適用于其它非規(guī)則平面陣列，并且能夠獲得統(tǒng)計無偏的估計結(jié)果的2D DoA快速估計算法，就具有較大的理論和工程實際價值。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種二維波達方向快速估計方法，適用于均勻圓陣，也可適用于其它平面非規(guī)則陣列，例如陣元不均勻間隔圓陣，橢圓陣等。

為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種均勻圓陣二維波達方向快速估計方法，該方法包括以下步驟：

S1：由均勻圓陣的陣元位置坐標構(gòu)造一個十字正交虛擬參考陣列；

S2：將二維角度參數(shù)空間均勻劃分成多個網(wǎng)格，確定每個網(wǎng)格的中心方向；