[發明專利]一種多徑信號波達方向和擴散角快速估計新方法

在審

• 申請號: 202110720072.3
• 申請日: 2021-06-28
• 公開（公告）號: CN113625220A
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: 田全;蔡睿妍
• 申請（專利權）人: 臺州學院
• 主分類號: G01S3/14
• 分類號: G01S3/14
• 代理公司: 大連智高專利事務所(特殊普通合伙) 21235
• 代理人: 蓋小靜

本發明公開了一種多徑信號波達方向和擴散角快速估計新方法，具體包括：構建陣列輸出信號的分布源模型，有效解決點源模型下波達方向估計精度低的問題；通過噪聲子空間構建二維空間譜，在所述二維空間譜進行分布源波達方向和擴散角的估計；采用單峰共軛對稱函數對分布源的確定性角信號密度函數進行描述，并結合小角度近似理論，重建均勻線性陣列的廣義陣列流形，實現波達方向和擴散角的分離；構建二次優化函數，得到波達方向的一維空間譜，通過該一維空間譜獲得波達方向估計；獲取擴散角的一維空間譜，通過該一維空間譜獲得擴散角估計。本發明提升了算法可靠性，降低了算法的計算復雜度，能夠適應于對實時性要求較高的無線電監測與定位場景。

技術領域

本發明涉及被動無線電監測和定位領域，具體涉及一種多徑信號波達方向和擴散角快速估計新方法。

背景技術

陣列信號處理技術的開端可以追溯到20世紀40年代應用鎖相環進行天線跟蹤的自適應天線技術。1965年，Howells所提出的自適應陷波旁瓣對消器為陣列信號處理開辟了全新的研究方向。與傳統的單傳感器信號處理相比，陣列信號具有抗干擾能力強、波束控制靈活、信號增益大以及空間分辨高等優點。因此，20世紀70年代以來，陣列信號處理在無線通信、智能會議系統、地震勘探、無線天文學、機器狀態監視與故障診斷等民用領域以及聲納、雷達等軍事領域都有著廣泛的應用。作為陣列信號處理的核心技術與方法，基于陣列輸出信號特征子空間的波達方向(DOA，Direction ofArrival)估計方法能夠實現目標信源波達方向的超分辨率估計而被廣泛應用。

針對超分辨率波達方向估計問題的研究，一般假設陣列接收信號由點目標信源輻射而來。當目標的輻射面小于陣列的分辨率時，空間中目標信源的物理尺寸可以忽略不計進而抽象成一個幾何意義上的點，因此可以認為是點目標信源(簡稱：點源)，信號的點源模型如圖1所示。經典的波達方向估計算法大多假設信源與觀測陣列之間存在視距傳播且直射波信號強度較大，因此點源模型能夠有效逼近信號的實際傳播環境，此時點源作為一種合理的假設，極大簡化了DOA估計的復雜性。

然而，點源只是一種數學上的假設，在實際應用中是不可能存在的，真實的目標信源輻射面總是具有一定的尺寸。此外，隨著科學技術的不斷發展，空間電磁環境變得越來越復雜，加之人類社會的飛速進步，高層建筑的數量呈幾何級數增長。如圖2所示，這種環境下無線電信號傳播過程中散射、反射或衍射等引起的多徑效應使傳感器陣列接收信號的能量在空間某一范圍呈現一定的分散性。此時的信號源被稱作分布式信源(簡稱：分布源)，其輻射的信號也被稱作分布源信號。分布源模型如圖3所示，點源信號模型并不適用于此類情況，這將導致基于點源假設的超分辨率波達方向估計算法失效。針對上述信號多徑傳播引起的原信號擴散問題，分布源模型通常用中心波達方向和擴散角兩個參數描述信號源的空間分布情況：分布源的能量集中在以中心波達方向為中心，以擴散角為半徑的空間區域內。

隨著科技的不斷進步，波達方向估計方法日臻完善，大量高精度高分辨率的估計方法被提出。但這些方法大多建立在經典點信源模型基礎上，即常常假定待估計的信號是窄帶的，滿足信號帶寬的倒數大于波陣面掠過陣列空間所需的時間。這個假設在大多數情況下是適用的。但近年來研究發現，由于空間電磁環境越來越復雜、地面建筑越來越高大密集，從待估計信號源到達接收傳感器陣列常常不存在直達信號，而是經過反射和折射后以多徑的形式到達接收陣列。因此，在這種情況下，不考慮待估計的目標信源物理尺寸，僅將其抽象為一個幾何意義上的點將會很大程度上降低參數估計的精度，在此基礎上，分布式信源的概念被提出并成功應用到波達方向估計當中。

針對陣列信號處理中的分布源情況，以特征子空間技術為基礎方法雖然能夠實現波達方向和擴散角的估計，但是需要進行二維譜峰搜索，因此在保證參數估計精度不變的前提下，計算復雜度呈幾何級數增加，嚴重影響了算法的實時性，因此在實際應用中受到極大的限制。

發明內容

為克服現有波達方向估計方法在無線電波傳播過程中由于遮擋、反射甚至折射引起的多徑效應使目標信源波達方向和擴散角估計計算復雜度較高的問題，本發明提供了一種多徑信號波達方向和擴散角快速估計新方法，具體包括：