專利名稱:基于l型陣列的相干信號二維波達方向估計裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及二維波達方向的裝置及其方法,具體涉及一種基于L型陣列的相干信號二維波達方向估計裝置及其方法。
背景技術(shù):
陣列信號處理近年來得到迅速發(fā)展,其應(yīng)用涉及雷達、通信、聲吶等眾多軍事和國民經(jīng)濟領(lǐng)域。其將多個天線陣子設(shè)置在空間的不同位置組成天線陣列,并利用這一天線陣列對空間無線電波進行接受和處理,提取陣列所接收的無線電波信號及其特征信息。陣列信號處理具有靈活的波束控制、高的信號增益、很強的抗干擾能力和高的空間超分辨能力等特點,受到人們的高度關(guān)注。陣列信號處理中一個典型的問題是基于陣列天線估計噪聲環(huán)境中入射信號的到達方向,由于其計算簡單和高分辨能力,基于子空間的方向估計方法成為公認的用來估計到達方向的方法得到很多的關(guān)注,此方法中,利用了信號子空間和噪聲子空間之間的正交性?;谧涌臻g的方法中多重信號分類技術(shù)是一種典型的方向估計方法。在用于估計非相關(guān)信號的到達方向的基于子空間的方法中,首先根據(jù)噪聲接收陣列數(shù)據(jù)來估計陣列協(xié)方差矩陣,然后通過該陣列協(xié)方差矩陣的特征值分解來獲得信號子空間和噪聲子空間。此后,采用該信號子空間和噪聲子空間之間的正交性,來估計入射信號的到達方向。現(xiàn)有的有效波達方向估計方法都需要對陣列協(xié)方差矩陣進行特征值分解來獲取信號(或噪聲)子空間。所以當(dāng)傳感器數(shù)目較多時,計算量大的特征值分解的方法限制了這些方法在實際環(huán)境中的應(yīng)用。同時在多徑傳輸環(huán)境中,入射信號經(jīng)常具有相關(guān)性,導(dǎo)致陣列協(xié)方差矩陣的信號子空間向噪聲子空間擴散,信號子空間的秩就會小于信號源數(shù)目,發(fā)生秩虧損,進而使相干信號的波達方向估計方法變得復(fù)雜且非常重要。在移動通信、無線電導(dǎo)航定位、雷達、聲納以及其他許多應(yīng)用場合,需要得到的信號入射方向是二維的(即方位角和俯仰角),只有在使用線性傳感器陣列,且假設(shè)所有信號都和陣列位于同一平面時,波達方向估計問題才退化為一維,相比一維情況下的波達方向估計問題,二維波達方向估計需要求解的參數(shù)空間維度增加,運算復(fù)雜度增大。因此一種計算上簡單有效的相干信號二維波達方向估計方法不僅在理論上具有創(chuàng)新意義,而且在實際應(yīng)用中也非常重要。近年來,由兩條或更多均勻線陣組成的二維陣列受到了很大的關(guān)注。特別是L陣, 由于其簡單的結(jié)構(gòu)和在波達方向估計中表現(xiàn)出的良好性能而備受矚目。為了避免二維參數(shù)聯(lián)合估計,很多方法把二維問題拆分為兩個獨立的基于線陣的一維問題。但是當(dāng)入射信號不止一個的時候,又產(chǎn)生了配對問題導(dǎo)致估計失敗,另外這些方法也需要特征值分解這種需要很大計算量的過程,同時現(xiàn)有的方法都不能解決在多徑傳輸環(huán)境中的相干信號二維波達方向估計問題
發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足,通過立足于實際應(yīng)用中對二維方向信息的需求,以及考慮到在硬件實現(xiàn)和產(chǎn)品成本等方面的制約,從減少算法計算量和提高估計精度的角度出發(fā),就陣列信號處理中的多徑環(huán)境下的窄帶相干信號的二維波達方向估計問題, 提供基于L型陣列的相干信號二維波達方向估計裝置及其方法,通過子陣平均技術(shù)對入射信號解相干,同時對L陣列接受數(shù)據(jù)的互相關(guān)矩陣實施線性操作得到零空間,首先分別估計俯仰角和方位角,然后利用一種新的方法對俯仰角和方位角配對,最后,根據(jù)幾何關(guān)系得到方位角,該方法不需要特征分解,并且計算效率高。為了達到上述目的,本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種基于L型陣列的相干信號二維波達方向估計裝置,包括直角折尺L形陣列天線,該直角折尺L形陣列天線為縱向χ向等距線性子陣列天線1的一端和豎直向ζ向等距線性子陣列天線2的一端垂直連接構(gòu)成,其中的縱向χ向等距線性子陣列天線1包括沿縱向χ向兩兩等距排列的第一縱向χ向天線陣子X1、第二縱向χ向天線陣子x2、…、第M縱向 χ向天線陣子%共M個天線陣子組成,而豎直向ζ向等距線性子陣列天線2包括沿豎直向 ζ向兩兩等距排列的第一豎直向ζ向天線陣子Z1、第二豎直向ζ向天線陣子^、…、第M豎直向ζ向天線陣子^共M個天線陣子組成,另外縱向χ向等距線性子陣列天線1和豎直向 ζ向等距線性子陣列天線2同瞬時相關(guān)性計算裝置3相通信連接,瞬時相關(guān)性計算裝置3和瞬時相關(guān)性矩陣計算裝置4相通信連接,瞬時相關(guān)性矩陣計算裝置4和線性操作子估計裝置5相通信連接,線性操作子估計裝置5和到達方向估計裝置6相通信連接,到達方向估計裝置6和到達方向角度配對裝置7相通信連接,M為大于等于2的整數(shù)。所述的基于L型陣列的相干信號二維波達方向估計裝置的方法,當(dāng)波長為1的P 個窄帶不相關(guān)遠場信號仏㈨}“以各自待求的方位角仏丄^和仰角{銀仏入射到直角折尺 L形陣列天線上時,先將縱向X向等距線性子陣列天線1和豎直向Z向等距線性子陣列天線 2上接收到的波長為1的ρ個窄帶不相關(guān)遠場信號{&( )}“的觀測數(shù)據(jù)發(fā)送到瞬時相關(guān)性計算裝置3,瞬時相關(guān)性計算裝置3據(jù)此瞬時相關(guān)性計算裝置3導(dǎo)出前向后向子陣,將該前向后向子陣發(fā)送到瞬時相關(guān)性矩陣計算裝置4導(dǎo)出前向后向互相關(guān)矩陣,將該前向后向互相關(guān)矩陣發(fā)送到線性操作子估計裝置5導(dǎo)出兩個擴展互相關(guān)矩陣,隨即將此兩個擴展互相關(guān)矩陣分為兩分部,由此導(dǎo)出對應(yīng)的線性操作子,將該線性操作子發(fā)送到到達方向估計裝置6將線性操作子和單位陣合成組合矩陣,對該組合矩陣采用最小化代價函數(shù)來獨立估計求得方位角仏丄和仰角fel的估計值,將所得的方位角仏丄和仰角fel的估計值送入到達方向角度配對裝置7通過最小二乘法導(dǎo)出排列線陣,根據(jù)排列線陣的幾何關(guān)系用最優(yōu)化函數(shù)的方法實現(xiàn)方位角仏OIL1和仰角{銀}“的配對,從而完成了相干信號二維波達方向估計,其中1為波長值,P為大于等于2的整數(shù),k為小于等于ρ的整數(shù),fk為第k個窄帶不相關(guān)遠場信號%(n)形成的方位角,qk為第k個窄帶不相關(guān)遠場信號%(n)形成的仰角, η為采樣時刻。所述的縱向χ向等距線性子陣列天線1和豎直向ζ向等距線性子陣列天線2上接收到的波長為1的P個窄帶不相關(guān)遠場信號{&( )KL1的觀測數(shù)據(jù)分別為式(1)和式(2)所示ζ(η) = Σ a(qk)sk(n) + wz(n)
k=lC 丄)
= Azs(n) + wz(n)x(n) =ia{f k)sk(n) + wx(n)
k=iKZ)=Axs(n) + wx(n)其中 z(n) = [Z1(Ii), z2 (η), L, zM(n)]T, x(n) = [X1 (n),& (n),L,^(η) ]τ,ζ (n)為豎直向ζ向等距線性子陣列天線2的第一豎直向ζ向天線陣子Z1的接收數(shù)據(jù)、第二豎直向ζ向天線陣子τ2的接收數(shù)據(jù)、…、第M豎直向ζ向天線陣子的接收數(shù)據(jù)構(gòu)成的豎直向ζ向接收數(shù)據(jù)向量,x(n)為縱向χ向等距線性子陣列天線1的第一縱向χ向天線陣子X1 的接收數(shù)據(jù)、第二縱向χ向天線陣子&的接收數(shù)據(jù)、…、第M縱向χ向天線陣子xM的接收數(shù)據(jù)構(gòu)成的豎直向ζ向接收數(shù)據(jù)向量,η為采樣時刻,化㈨=[%( ),L ,wZM{n)f, wx(n) = [wxi(n),wxi(n),l, ,wXM(n)Y ,Ψζ(η)為豎直向ζ向等距線性子陣列天線2的第一豎直向Z向天線陣子Z1的附加噪音、第二豎直向Z向天線陣子h的附加噪音、…、第M豎直向ζ向天線陣子的附加噪音構(gòu)成的附加噪音向量,wx(η)分別為縱向χ向等距線性子陣列天線1的第一縱向χ向天線陣子X1的附加噪音、第二縱向χ向天線陣子&的附加噪音、…、第M縱向χ向天線陣子的的附加噪音構(gòu)成的附加噪音向量,Az= [a (Ql), a (q2), La(qp)],Ax= [a (f\),a (f2),La (fp) ],Az 和 Ax 為陣列響應(yīng)矩陣,flfe) =, a(fk) = [\,e~^,L ,e-jMg^T,為仰角導(dǎo)向矢量,a(fk)為方位角導(dǎo)向矢量, =2p d cos qk/l,gk = 2p d cos fk/l,1為波長值,ρ為大于等于2的整數(shù),k為小于等于ρ的整數(shù),fk 為第k個窄帶不相關(guān)遠場信號%(n)形成的方位角,d為對應(yīng)天線陣子的半徑,qk為第k個窄帶不相關(guān)遠場信號%(n)形成的仰角。所述的前向后向子陣中第丄個前向后向子陣 ⑷…⑷力㈨以及呆㈨分別為式 (3)_式(6)所示Z1(Ii) = [Z1-Jn), Z1Oi), K,、(η)]T (3)X1(Ii) = [Xl(n),x1+1(n),K, xM(n)]T (4)
Ζι(η) = [zM.tin), zM_w( ),K , z^n)]"( 5 )
Xi(n) = [χΜ-ι+ι(η),Xu^n),K ,xx(n)]H( 6 )其中1 = l,2,K,p,M為大于等于2的整數(shù),ρ為大于等于2的整數(shù),η為采樣時刻, Z1^1(Ii), Z1(Ii)K ζΜ(η)分別表示第1-1豎直向ζ向天線陣子Z1^的接收數(shù)據(jù)、第1豎直向ζ 向天線陣子Z1的接收數(shù)據(jù)、…、第M豎直向ζ向天線陣子、的接收數(shù)據(jù),^ 、^^ K Zp^1(Ii)分別表示第M-I豎直向ζ向天線陣子Zsh的接收數(shù)據(jù)、第M-1-1豎直向ζ向天線陣子Zm-H的接收數(shù)據(jù)、…、第P-I豎直向Z向天線陣子的接收數(shù)據(jù),A(n),Xl+1(n),K, x (n)分別表示第1縱向χ向天線陣子X1的接收數(shù)據(jù)、第1+1縱向χ向天線陣子^cw的接收數(shù)據(jù)、···、第1縱向乂向天線陣子%的接收數(shù)據(jù),^1+1(1!),^(_1(11),1(,\(11)分別表示第 M-1+1縱向χ向天線陣子xM_1+1的接收數(shù)據(jù)、第M-I縱向χ向天線陣子的接收數(shù)據(jù)、…、 第1縱向χ向天線陣子X1 (η)的接收數(shù)據(jù)。所述的前向后向互相關(guān)矩陣中第1個前向后向互相關(guān)子矩陣/ z,x、Rxiz,及Z1M及 ^qz分別為式(7)-式(10)所示
權(quán)利要求
1.一種基于L型陣列的相干信號二維波達方向估計裝置,包括直角折尺L形陣列天線, 其特征在于該直角折尺L形陣列天線為縱向χ向等距線性子陣列天線(1)的一端和豎直向ζ向等距線性子陣列天線O)的一端垂直連接構(gòu)成,其中的縱向χ向等距線性子陣列天線⑴包括沿縱向χ向兩兩等距排列的第一縱向χ向天線陣子&、第二縱向χ向天線陣子 Χ2>…、第M縱向X向天線陣子^共M個天線陣子組成,而豎直向Z向等距線性子陣列天線 (2)包括沿豎直向ζ向兩兩等距排列的第一豎直向ζ向天線陣子Z1、第二豎直向ζ向天線陣子、、…、第M豎直向ζ向天線陣子4共M個天線陣子組成,另外縱向χ向等距線性子陣列天線(1)和豎直向ζ向等距線性子陣列天線O)同瞬時相關(guān)性計算裝置(3)相通信連接,瞬時相關(guān)性計算裝置(3)和瞬時相關(guān)性矩陣計算裝置(4)相通信連接,瞬時相關(guān)性矩陣計算裝置(4)和線性操作子估計裝置(5)相通信連接,線性操作子估計裝置(5)和到達方向估計裝置(6)相通信連接,到達方向估計裝置(6)和到達方向角度配對裝置(7)相通信連接,M為大于等于2的整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于L型陣列的相干信號二維波達方向估計裝置的方法,其特征在于當(dāng)波長為1的P個窄帶不相關(guān)遠場信號{&( )}“以各自待求的方位角{f 和仰角射到直角折尺L形陣列天線上時,先將縱向χ向等距線性子陣列天線⑴ 和豎直向ζ向等距線性子陣列天線(2)上接收到的波長為1的ρ個窄帶不相關(guān)遠場信號 {&( )}“的觀測數(shù)據(jù)發(fā)送到瞬時相關(guān)性計算裝置(3),瞬時相關(guān)性計算裝置(3)據(jù)此瞬時相關(guān)性計算裝置(3)導(dǎo)出前向后向子陣,將該前向后向子陣發(fā)送到瞬時相關(guān)性矩陣計算裝置(4)導(dǎo)出前向后向互相關(guān)矩陣,將該前向后向互相關(guān)矩陣發(fā)送到線性操作子估計裝置(5)導(dǎo)出兩個擴展互相關(guān)矩陣,隨即將此兩個擴展互相關(guān)矩陣分為兩分部,由此導(dǎo)出對應(yīng)的線性操作子,將該線性操作子發(fā)送到到達方向估計裝置(6)將線性操作子和單位陣合成組合矩陣,對該組合矩陣采用最小化代價函數(shù)來獨立估計求得方位角仏OIL1和仰角 ^KL1的估計值,將所得的方位角仏JIL1和仰角的估計值送入到達方向角度配對裝置(7)通過最小二乘法導(dǎo)出排列線陣,根據(jù)排列線陣的幾何關(guān)系用最優(yōu)化函數(shù)的方法實現(xiàn)方位角仏OIL1和仰角{銀}^的配對,從而完成了相干信號二維波達方向估計,其中1為波長值,P為大于等于2的整數(shù),k為小于等于ρ的整數(shù),fk為第k個窄帶不相關(guān)遠場信號%(η) 形成的方位角,Qk為第k個窄帶不相關(guān)遠場信號%(n)形成的仰角,η為采樣時刻。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于L型陣列的相干信號二維波達方向估計裝置的方法,其特征在于所述的縱向χ向等距線性子陣列天線1和豎直向ζ向等距線性子陣列天線2上接收到的波長為1的P個窄帶不相關(guān)遠場信號{&( )}“的觀測數(shù)據(jù)分別為式(1)和式(2) 所示ζ(η) = Σ a(qk)sk(n) + wz(n)k=lC 丄)=Azs{n) + wz{n)x(n) =ia{f k)sk(n) + wx(n)k=iKZ)= Axs(n) + wx(n)其中 z(n) = [z^n), z2 (η), L, zM(n)]T, x(n) = [X1 (η), x;2 (η), L, x;M(n) ]τ, ζ (n)為豎直向ζ向等距線性子陣列天線2的第一豎直向ζ向天線陣子Z1的接收數(shù)據(jù)、第二豎直向ζ向天線陣子、的接收數(shù)據(jù)、…、第M豎直向ζ向天線陣子、的接收數(shù)據(jù)構(gòu)成的豎直向ζ向接收數(shù)據(jù)向量,χ (η)為縱向χ向等距線性子陣列天線⑴的第一縱向χ向天線陣子X1的接收數(shù)據(jù)、第二縱向χ向天線陣子&的接收數(shù)據(jù)、…、第M縱向χ向天線陣子χΜ的接收數(shù)據(jù)構(gòu)成的豎直向ζ向接收數(shù)據(jù)向量,η為采樣時亥ij,wz(n) = [wZl(n),wZ2(n),L ,wZM{n)f, wx(n) = [wXl(n),wX2(n),L ,wXM(n)f 為豎直向ζ向等距線性子陣列天線2的第一豎直向Z向天線陣子Z1的附加噪音、第二豎直向Z向天線陣子h的附加噪音、…、第M豎直向ζ向天線陣子的附加噪音構(gòu)成的附加噪音向量,wx(η)分別為縱向χ向等距線性子陣列天線⑴第一縱向χ向天線陣子X1的附加噪音、第二縱向χ向天線陣子&的附加噪音、…、第M縱向χ向天線陣子的的附加噪音構(gòu)成的附加噪音向量,Az= [a (Ql), a (q2), La(qp)],Ax= [a (f\),a (f2),La (fp) ],Az 和 Ax 為陣列響應(yīng)矩陣,a(qk) = [l,e~^,L ,β^γ , a(fk) = [\,e~^,L ,e-^F,a(qk)為仰角導(dǎo)向矢量,a(fk)為方位角導(dǎo)向矢量,\ = 2p dcos qk/l,gk = 2p d cos fk/l,1為波長值,ρ為大于等于2的整數(shù),k為小于等于ρ的整數(shù),fk 為第k個窄帶不相關(guān)遠場信號%(n)形成的方位角,d為對應(yīng)天線陣子的半徑,qk為第k個窄帶不相關(guān)遠場信號%(n)形成的仰角。所述的前向后向子陣中第1個前向后向子陣Z1(H)、A(n)、石(《)以及呆(《)分別為式 (3)_式(6)所示Z1(Ii) = [Zh (n), Z1(II), K, ζΜ(η)]T (3) Xi (η) = [χ^η), χ1+1 (η), K, χΜ(η)]τ (4) Ζι(η) = [ζΜ_/( ), zM_w( ),K , Z^1(H)Y( 5 )Χι(η) = [χΜ-ι+ι(η),Xu^n),K ,χλ(η)]Η( 6 )其中1 = 1,2,K,ρ,M為大于等于2的整數(shù),ρ為大于等于2的整數(shù),η為采樣時刻, Z1^1(Ii), Z1(Ii)K ζΜ(η)分別表示第1-1豎直向ζ向天線陣子Z1^的接收數(shù)據(jù)、第1豎直向ζ 向天線陣子Z1的接收數(shù)據(jù)、…、第M豎直向ζ向天線陣子、的接收數(shù)據(jù),^ 、^^ K Zp^1(Ii)分別表示第M-I豎直向ζ向天線陣子Zsh的接收數(shù)據(jù)、第M-1-1豎直向ζ向天線陣子Zm-H的接收數(shù)據(jù)、…、第P-I豎直向Z向天線陣子V1的接收數(shù)據(jù),X1(H),x1+1(n), K,χΜ(η)分別表示第1縱向χ向天線陣子X1的接收數(shù)據(jù)、第1+1縱向χ向天線陣子^cw的接收數(shù)據(jù)、···、第1縱向乂向天線陣子%的接收數(shù)據(jù),^1+1(1!),^(_1(11),1(,\(11)分別表示第Μ-1+1縱向χ向天線陣子χΜ_1+1的接收數(shù)據(jù)、第M-I縱向χ向天線陣子的接收數(shù)據(jù)… 第1縱向χ向天線陣子X1 (η)的接收數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于L型陣列的相干信號二維波達方向估計裝置的方法,其特征在于所述的前向后向互相關(guān)矩陣中第1個前向后向互相關(guān)子矩陣R琳、R叩、Rzix以及^qz分別為式⑵-式(10)所示Rzix = E{Zl(n)x"(n)} = AzD{~lRA (7)Rxiz = Ε{Χι(η)ζΗ(η)} = AxDt1RA (8)Rzix = EizM^in)} = A2D-^KAl(9)Rxiz = Eix^in)} = AZD-{M~1+2)R:AI( 10)其中1 = 1,2L P,P為大于等于2的整數(shù),η為采樣時刻,ζ (η)為豎直向ζ向等距線性子陣列天線2的第一豎直向ζ向天線陣子Z1的接收數(shù)據(jù)、第二豎直向ζ向天線陣子τ2的接收數(shù)據(jù)、…、第M豎直向ζ向天線陣子的接收數(shù)據(jù)構(gòu)成的豎直向ζ向接收數(shù)據(jù)向量,X(Ii) 為縱向χ向等距線性子陣列天線1的第一縱向χ向天線陣子X1的接收數(shù)據(jù)、第二縱向Χ向天線陣子&的接收數(shù)據(jù)、…、第M縱向χ向天線陣子xM的接收數(shù)據(jù)構(gòu)成的豎直向ζ向接收數(shù)據(jù)向量,Zl(n)、Xl(n)、以及呆(《)為所述的第1個前向后向子陣,\和\為所述的陣列響應(yīng)矩陣,Dz = diag(e-抖,e-隊,L , e為),Dx = diag(e-]八,e-17: ,L , e-]、) , ak = 2p d cos qk/l, gk = 2p d cos fk/l,1為波長值,ρ為大于等于2的整數(shù),k為小于等于ρ的整數(shù),fk為第k個窄帶不相關(guān)遠場信號%(n)形成的方位角,d為對應(yīng)天線陣子的半徑,qk為第k個窄帶不相關(guān)遠場信號%(n)形成的仰角,Rs為入射信號的協(xié)方差矩陣。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于L型陣列的相干信號二維波達方向估計裝置的方法,其特征在于所述的兩個擴展互相關(guān)矩陣包括豎直向ζ向擴展互協(xié)方差矩陣Rz和縱向χ向擴展互協(xié)方差矩陣Rx,它們分別為式(11)-式(12)所示
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于L型陣列的相干信號二維波達方向估計裝置的方法,其特征在于所述的線性操作子Pz和Px為式(13)-式(14)所示
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于L型陣列的相干信號二維波達方向估計裝置的方法, 其特征在于所述的獨立估計求得方位角仏OIL1和仰角{銀}“的估計值是通過極小化式 (15)和式(16)的代價函數(shù),該代價函數(shù)包括豎直向ζ向子代價函數(shù)fz(q)和縱向X向子代價函數(shù)fx(f)
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于L型陣列的相干信號二維波達方向估計裝置的方法,其特征在于所述的最優(yōu)化函數(shù)的方法為最優(yōu)化式(17)的函數(shù)Pt
全文摘要
一種基于L型陣列的相干信號二維波達方向估計裝置及其方法,通過縱向x向等距線性子陣列天線、豎直向z向等距線性子陣列天線、瞬時相關(guān)性計算裝置、瞬時相關(guān)性矩陣計算裝置、線性操作子估計裝置、到達方向估計裝置以及到達方向角度配對裝置相通信連接,利用子陣平均技術(shù)對入射信號解相干,同時對L陣列接受數(shù)據(jù)的互相關(guān)矩陣實施線性操作得到零空間,首先分別估計俯仰角和方位角,然后對俯仰角和方位角配對,最后,根據(jù)幾何關(guān)系得到方位角,該方法不需要特征分解,并且計算效率高。
文檔編號G01S3/14GK102253363SQ201110076669
公開日2011年11月23日 申請日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者劉久, 王光敏, 辛景民, 鄭南寧 申請人:西安交通大學(xué)