[發明專利]互質面陣下降維Capon的二維DOA估計方法

在審

• 申請號: 202210402389.7
• 申請日: 2022-04-18
• 公開（公告）號: CN114895234A
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發明（設計）人: 韓盛欣來;張小飛;李寶寶
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01S3/14
• 分類號: G01S3/14;G06F17/16;G06F17/18
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 吳旭

本發明公開了在互質面陣下對多個信號進行二維DOA估計的降維Capon算法。本發明算法先求得接收信號的協方差矩陣，然后把二維譜函數降維到一維，利用真實和模糊DOA估計之間的線性關系，在局部區域上進行一維部分譜搜索，就可以得到一個與理論DOA相關的模糊DOA估計，從而顯著降低了計算復雜度，最后，根據互質面陣的性質可以得到真實的DOA估計。與傳統的互質面陣二維Capon算法相比，該方法可以獲得幾乎相同的DOA估計性能，同時又避免了二維譜峰搜索帶來的巨大運算量，大大降低了計算復雜度。

技術領域

本發明涉及波達方向估計領域，具體的為互質面陣下降維Capon的二維DOA估計方法。

背景技術

多個窄帶信號源的波達方向估計是陣列信號處理中的一個基本課題，對無線通信、醫學成像、雷達、聲納以及導航等各種工程應用也有著重大的意義。互質陣列因為可以減少互耦效應，增加自由度，提高分辨率，引起了人們的極大關注。人們也相繼提出了各種互質陣列的DOA估計方法。為了消除相位模糊問題，有基于類投影的無搜索DOA算法，可以大大降低計算的復雜度，還可以用譜峰搜索方法，利用兩個子陣的結果和互質陣性質得到波達方向。

在估計二維信號源的波達方向時，可以把互質對稱稀疏交叉陣列用于DOA估計，并通過構造高階矩陣給出了一種有效的算法。也可以將傳統的二維多信號分類算法(MUSIC算法)應用于互質平面陣列，這樣的全譜搜索方法具有很好的DOA估計性能，但是計算復雜度很高，部分譜搜索方法雖然降低了一定的復雜度，但是因其仍然需要二維譜峰搜索，計算量依然很大，在實際工程中耗費的成本很高。

發明內容

本發明所要解決的技術問題針對背景技術中所涉及的二維譜峰搜索計算復雜度過大的問題，采用對譜函數降維處理的方法來避免二維譜峰搜索帶來的巨大計算復雜度，減少算法的時間和空間成本，同時能夠保持其良好的估計性能。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：互質面陣下降維Capon的二維DOA估計方法：

步驟1,將互質面陣分為兩個均勻面陣，接下來分別考慮這兩個均勻面陣，計算接收信號的協方差矩陣對譜函數進行降維處理，構造Q(v)。

步驟2，在v∈[0,2/M_j]區域內進行一維局部搜索，找到是第(1,1)個元素中最大的K個峰值，得到對應v_k(k＝1,2,…,K)的估計值。

步驟3，根據估計的v_k(k＝1,2,…,K)，求得K個向量再利用最小二乘法得到u_k(k＝1,2,…,K)的估計值。

步驟4，根據真實波達方向與模糊波達方向之間的相位差計算出所有可行的(u,v)對，再計算差分函數d_c并選擇K個最小值，再求平均得到最終的估計值

步驟5，求出信源方向的仰角和方位角得到二維DOA估計。

優選的，所述步驟1中構造協方差矩陣以及Q(v)的具體步驟如下：

步驟1.1，將互質面陣分為兩個均勻面陣，接下來分別考慮這兩個均勻面陣，接收信號的協方差矩陣可以通過進行估計，L是快拍數。

步驟1.2，二維Capon的空間譜函數為：

式中方向矢量將函數V_i(u,v)定義為也可以表示為式中

優選的，所述步驟2中一維譜峰搜索求取v_k(k＝1,2,…,K)的具體步驟如下：

步驟2.1，是一個二次優化問題。考慮用消除的平凡解，其中這個優化問題可以重構如下：

構造下面的代價函數式中，λ是一個常量，對a_xi(u)求導