[發明專利]一種基于稀疏貝葉斯學習的離格波達方向估計方法

有效

• 申請號: 201811365309.5
• 申請日: 2018-11-16
• 公開（公告）號: CN109490819B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 吳曉歡;張澤云;朱衛平;顏俊
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: G01S3/12
• 分類號: G01S3/12
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 王素琴

本發明公開的基于稀疏貝葉斯學習的離格波達方向估計方法，包括步驟：在接收端構建由M個陣元組成的稀疏陣列并建立陣列接收信號模型；根據壓縮感知理論建立基于陣列導向矢量的超完備字典，將陣列接收信號模型擴展為稀疏信號重構模型X；由稀疏信號重構模型X構建虛擬信號對應的稀疏信號重構模型Y；初始化指定參數的值，并確定空域信號在傳遞過程中的噪聲功率；計算虛擬陣列輸出信號；驗算虛擬信號輸出后的概率密度函數的均值和方差；利用貝葉斯學習迭代計算虛擬信號輸出信號功率譜和噪聲功率和量化誤差；設定終止準則；畫出功率譜的波形，尋找功率譜上的峰值，基于峰值得到估計波達方向的估計結果；本發明可估計出多于陣元數的信號個數，提升了估算精度。

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，具體為一種基于稀疏貝葉斯學習的離格波達方向估計方法，用于無源定位和目標探測。

背景技術

DOA(Direction-of-Arrival,波達方向)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，以恢復入射信號的來向信息，在雷達、聲吶、語音和無線通信等領域有著廣泛的應用。

均勻線性陣列是現有DOA估計方法中最常用的一類陣列結構，因為其滿足奈奎斯特采樣定理，能夠實現有效的DOA估計。但是，采用均勻線性陣列的DOA估計方法其自由度受限于實際天線陣元的個數。而稀疏陣列能夠突破傳統均勻線性陣列自由度受限的瓶頸，實現在天線陣元個數一定的前提下增加DOA估計個數的自由度。

基于壓縮感知的波達方向估計方法是測向領域的一類典型方法，它使得在無需空間平滑方法下進行相干信號測向成為可能。該類方法不僅可以運用于均勻陣列，還可以用于稀疏陣列，然而，稀疏陣列具有的孔徑擴展的性質并沒有得到有效利用。一些方法通過將陣列輸出的協方差矩陣進行矢量化操作來獲得更多的自由度，但這些方法都是假設入射信號為非相干信號，且快拍數不得過少，從而限制了這類方法在測向中的應用場景。

更重要的是，基于壓縮感知的波達方向估計方法預先劃分網格，并假設信號無誤差的落在網格之上，這與現實環境中入射信號來向是均勻連續存在相矛盾。因此，需要設計新的信號模型來對物理信號模型進行準確刻畫，對存在的量化誤差進行精確描述，從而達到更加精確的估計結果。

發明內容

本發明的主要目的在于針對現有技術中對DOA估計的精準度偏低的問題，提供一種基于稀疏貝葉斯學習的離格波達方向估計方法，該方法利用稀疏陣列對應的虛擬陣列具有更多自由度的事實，恢復了虛擬陣列所接收到的信號，利用稀疏貝葉斯學習理論實現入射角和量化誤差的聯合求解，并且充分利用了稀疏陣列接收信號中所包含的全部信息，具體技術方案如下：

一種基于稀疏貝葉斯學習的離格波達方向估計方法，應用于陣列天線對空域信號的接收，所述空域信號為窄帶入射信號，所述方法包括步驟：

S1、在接收端構建由M個陣元組成的稀疏陣列并建立陣列接收信號模型：先利用N個陣元構建一個相鄰陣元間距為窄帶入射信號波長一半的均勻線性陣列；保持所述均勻線性陣列首尾兩個陣元不變，去除所述均勻線性陣列中間的N-M個陣元構成所述稀疏陣列；并構建由K個所述窄帶入射信號構成的陣列接收信號模型X＝A_ΩS+E_Ω，其中，X＝[x(1),...,x(L)]為陣列接收信號，L為陣列接收到的快拍數，S為入射信號波形，A_Ω＝[a_Ω(θ₁),...,a_Ω(θ_K)]為陣列流形矩陣，為窄帶入射信號的入射角對應的導向矢量，Ω_m表示集合Ω中的第m個元素，[·]^T表示轉置操作，E_Ω為噪聲矩陣，不同陣元上接收到的噪聲之間相互獨立；