[發(fā)明專利]一種大規(guī)模均勻十字陣列中單快拍二維DOA估計方法

有效

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• 申請日: 2020-09-22
• 公開（公告）號: CN112130111B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李寶寶;楊中天;張小飛
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01S3/14
• 分類號: G01S3/14
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 陸燁

本發(fā)明公開了一種大規(guī)模均勻十字陣列中單快拍二維DOA估計方法，具體為：首先，設(shè)置大規(guī)模十字天線陣列，對接收信號進行單快拍采樣；其次分別對X軸方向陣元和Y軸方向陣元的接收數(shù)據(jù)進行DFT變換，通過DFT譜搜索的方法獲得相移量矩陣和然后采用最大似然估計法進行角度匹配，獲得DOA初估計值；再然后通過泰勒展開的方法獲得偏移量的估計，得到DOA精估計值。本發(fā)明可以有效避免傳統(tǒng)子空間類方法中的空間平滑過程和傳統(tǒng)DFT方法中的相位搜索過程，降低了計算成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于陣列信號處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

陣列信號處理技術(shù)通過傳感器陣列接收數(shù)據(jù)獲得信息，具有波束控制靈活、信號增益高、抗干擾能力強、空間分辨率高等優(yōu)點，在雷達、無線通信、衛(wèi)星導航和語音信號處理等眾多領(lǐng)域獲得了廣泛的應用。波達方向估計(Direction ofArrival，DOA)是陣列信號處理的一個重要方向，是一種通過傳感器陣列接收的信號來估計信源位置的技術(shù)，在大規(guī)模天線陣列中應用DOA技術(shù)，可以快速精準地估計信源位置，將在聲納、雷達及5G通信系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。傳統(tǒng)的子空間類DOA估計方法，如MUSIC(Multiple SignalClassification)多重信號分類算法和ESPRIT(Estimating Signal Parameters viaRotational Invariance Techniques，ESPRIT))算法借助旋轉(zhuǎn)不變性進行信號參數(shù)估計需要很多個快拍的接收數(shù)據(jù)估計信號子空間，導致算法估計速度慢，而且此類算法需要特征值分解，直接應用于大規(guī)模陣列時復雜度非常高。傳統(tǒng)DFT類算法雖然計算復雜度比子空間類算法低得多，但相位搜索精估計過程復雜度仍然比較高，而且存在精度門限，在陣列規(guī)模較大時相比初估計性能提升不多。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：為解決上述背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種大規(guī)模均勻十字陣列中單快拍二維DOA估計方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種大規(guī)模均勻十字陣列中單快拍二維DOA估計方法，具體包括如下步驟：

步驟一：所述大規(guī)模均勻十字陣列包括兩個均勻線陣，該兩個均勻線陣垂直交叉，以交叉點為原點構(gòu)成直角坐標系，基于沿X軸排列的均勻線陣的單快拍接收信號x和沿Y軸排列的均勻線陣的單快拍接收信號y，以及信源數(shù)K，建立該大規(guī)模均勻十字陣列的接收模型z；

步驟二：對x和y進行離散傅里葉變換，得到沿X軸排列的均勻線陣接收的數(shù)據(jù)中包含波達方向信息的矩陣和沿Y軸排列的均勻線陣接收的數(shù)據(jù)中包含波達方向信息的矩陣

步驟三：逐個匹配和中的所有元素，并通過最大似然估計法和匹配后的組合計算第k個信源的二維DOA初始估計值，所述DOA初始估計值包括俯仰角初始估計值和方位角初始估計值其中，k＝1，2，…K；

步驟四：將K個信源在大規(guī)模均勻十字陣列上的方向向量分別在對應的二維DOA初始估計值上按照泰勒級數(shù)展開，根據(jù)展開式求解俯仰角初估計值相對于真實值的誤差Δ_θ，以及方位角初估計值相對于真實值的誤差Δ_φ，從而得K個信源的二維DOA精估計值。

進一步的，所述步驟一中沿X軸排列的均勻線陣和沿Y軸排列的均勻線陣均包括2M+1個陣元，且相鄰陣元之間的距離為半波長，該兩線陣中心相交且垂直，交叉點為原點。

進一步的，所述大規(guī)模均勻十字陣列的接收模型為