[發明專利]基于互質陣列差和虛擬擴充的一維波達方向估計方法

有效

• 申請號: 202010625355.5
• 申請日: 2020-07-01
• 公開（公告）號: CN111929637B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 寧更新;張書嘉;張軍;馮義志;陳芳炯;季飛
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G01S3/14
• 分類號: G01S3/14
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 詹麗紅

本發明公開了一種基于互質陣列差和虛擬擴充的一維波達方向估計方法，該方法對互質陣列輸出的協方差矩陣進行向量化處理，通過數據連接和去冗余得到擴充的虛擬陣列接收數據，并利用該接收數據得到目標源信號的波達方向估計值。其中虛擬陣列接收數據對應的虛擬陣列不僅包含互質陣列中的差集元素還包含和集元素，因而相比于虛擬陣列中僅包含差集元素的情況，其虛擬陣元數及可估計信源數更多。本發明通過重構子陣列接收數據的方式來一次擴展虛擬陣元數，并利用該子陣列接收數據重構模型的協方差矩陣和橢圓協方差矩陣獲得二次擴展的虛擬陣列，因此相比于圓信號入射的情況，其擴展的虛擬陣列自由度更大，且具有更優的DOA估計性能。

技術領域

本發明涉及目標定位技術領域，具體涉及一種基于互質陣列差和虛擬擴充的一維波達方向估計方法。

背景技術

波達方向角(DOA：Direction?of?Arrival)估計即空間譜估計，是陣列信號處理技術中最為重要的一部分。它通過陣列獲取空間譜(信號在空間中的能量分布)，進而估計信號波達方向。

DOA估計按陣列特性可分為均勻、非均勻。均勻陣列在一定范圍內能夠提供優良的側向精度和較高的分辨率，但由于陣元間距不超過半波長的設定，其無法處理信源數多于陣列數的DOA估計(即欠定DOA估計)。而非均勻陣列通過優化陣元位置的方法，提高虛擬陣元的自由度，以更少的陣元估計更多信源的信息，可實現欠定DOA估計。但基于非均勻陣列的估計方法處理的信源類型多為圓信號，適用范圍窄。

非圓信號具有偽協方差矩陣不為零的特征，運用到非均勻陣列的DOA估計中，能夠提高其分辨率并增加可估計的信源數，如專利申請201710358201.2。但該專利方法處理得到的虛擬陣列僅包含互質陣列中的差集元素，其連續虛擬陣元數以及可處理的信源數少。并且，該專利所使用的接收陣列為嵌套陣列，在嵌套陣列中第一級子陣是密集的均勻線陣，該線陣增大陣元間的相互干擾，直接影響DOA的估計性能。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有技術中存在的連續虛擬陣元數少、陣列自由度低等不足，提供一種基于互質陣列差和虛擬擴充的一維波達方向估計方法。該方法對互質陣列輸出的協方差矩陣進行向量化處理，通過數據連接和去冗余得到擴充的虛擬陣列接收數據，并利用該接收數據得到目標源信號的波達方向估計值。其中虛擬陣列接收數據對應的虛擬陣列不僅包含互質陣列中的差集元素還包含和集元素，其虛擬陣元數及陣列自由度實現大幅度擴展。

本發明的目的可以通過采取如下技術方案達到：

一種基于互質陣列差和虛擬擴充的一維波達方向估計方法，所述的一維波達方向估計方法包括下列步驟：

S1、基于互質陣列建立兩個不同陣元間距的子陣列信號接收數據模型；

S2、根據子陣列信號接收數據模型構造重構矩陣，并對重構矩陣處理得互協方差矩陣和自協方差矩陣；

S3、對互協方差矩陣和自協方差矩陣進行向量化處理得對應的輸出向量，串聯輸出向量并去冗余得虛擬陣列接收數據；

S4、對虛擬陣列接收數據空間平滑處理得虛擬協方差矩陣，并基于虛擬協方差矩陣得目標源信號的波達方向估計值。

進一步地，所述的互質陣列由兩個不同陣元間距的均勻線形子陣交替排布而成，兩個均勻線性子陣分別記為子陣1和子陣2，其中，子陣1由N個接收陣元組成，各陣元間距為Md，子陣2由2M個接收陣元組成，各陣元間距為Nd，N、M互為質數，d＝λ/2，λ為聲波的波長，以子陣1的第一個陣元為參考陣元，則總陣元數是N+2M-1，假定目標源信號的個數是K，其中心頻率均為f，且相互獨立，對應于水平線陣的方向角為θ_i，i＝1，2，...，K；

子陣1及子陣2的接收數據模型X₁(l)、X₂(l)分別表示為：