基于平面阵的二维波达方向估计方法和估计器的制造方法
【专利摘要】本申请涉及一种基于平面阵的二维波达方向估计方法和估计器。二维波达方向估计方法包括：构建所述平面阵接收信号基于第一波达方向α和第二波达方向β的解耦模型F＝AL(α)G(β)+N，其中F为平面阵接收信号，AL(α)为与第一波达方向α相关的流形矩阵，G(β)为与第二波达方向β相关的信号矩阵，N为噪声信号矩阵；在α域稀疏性前提下，对平面阵接收信号F进行α域稀疏重建，获得α域稀疏信号的支撑集，以得到α估计值；以及在β域稀疏性前提下，对信号矩阵G(β)中与α估计值对应的行矢量进行β域稀疏重建，获得β域稀疏信号的支撑集，以得到与所述α估计值对应的β估计值。本申请利用入射信号在α域和β域的空域稀疏性，依次估计α和β，大幅降低了计算复杂度。
【专利说明】基于平面阵的二维波达方向估计方法和估计器
【技术领域】
[0001]本申请涉及基于平面阵的二维波达方向估计方法和估计器。
【背景技术】
[0002]在电磁波信号或声信号处理例如雷达、麦克风阵列等应用场景中，需要通过天线阵列分析接收到的多通道电磁信号或声信号，从而估计入射信号的波达方向(Direction-of-arrival, D0A)。
[0003]现有的DOA估计方法一般基于一维波达方向DOA估计，可以分成如下四大类:波束形成类算法，子空间类算法，最大似然算法，以及基于稀疏信号重建(Sparse signalreconstruction, SSR)的方法。其中基于稀疏信号重建的方法对空间谱施加稀疏约束，把波达方向估计问题看成一个稀疏重建问题来求解，相对其他算法有着诸多优势，例如更高的分辨率和对低快拍数、低信噪比、相干源入射等应用环境下具有更高的稳健性。
[0004]然而在实际应用中一般需要估计两个到达角即需要解决二维波达方向估计问题。基于稀疏信号重建的方法在推广至二维波达方向估计问题时，冗余字典的维数急剧上升从而计算复杂度剧烈增大，限制了基于稀疏信号重建的方法在实际场景中的应用。
【发明内容】
[0005]本申请的目的是提供基于平面阵的二维波达方向估计方法和估计器，能够利用入射信号在α域和β域的空域稀疏性，依次估计α和β，大幅降低二维波达方向估计的计
算复杂度。
[0006]根据本申请的一个方面，公开了一种基于平面阵的二维波达方向估计方法，包括:
[0007]构建所述平面阵接收信号基于第一波达方向α和第二波达方向β的解耦模型F= \(a)G(i3)+N，其中F为平面阵接收信号，\(α)为与第一波达方向α相关的流形矩阵，G(i3)为与第二波达方向β相关的信号矩阵，N为噪声信号矩阵；
[0008]在α域稀疏性前提下，对平面阵接收信号F进行α域稀疏重建，获得α域稀疏信号的支撑集，以得到α估计值；以及
[0009]在β域稀疏性前提下，对信号矩阵G(i3)中与α估计值对应的行矢量进行β域稀疏重建，获得β域稀疏信号的支撑集，以得到与所述α估计值对应的β估计值。
[0010]根据本申请的另一个方面，公开了一种基于平面阵的二维波达方向估计方法的优化方法，包括:
[0011]将α作为第一波达方向并将β作为第二波达方向，通过如前所述的二维波达方向估计方法，先获得α估计值作为α第一估计值，后获得与所述α第一估计值对应的β估计值作为β第一估计值；
[0012]将β作为第一波达方向并将α作为第二波达方向，通过如前所述的二维波达方向估计方法，先获得β估计值作为β第二估计值，后获得与所述β第二估计值对应的α估计值作为α第二估计值；以及
[0013]根据所获得的α第一估计值、α第二估计值、β第一估计值和β第二估计值，优化平面阵的二维波达方向估计值(α，β)。
[0014]根据本申请的另一个方面，公开了一种二维波达方向估计器，包括:
[0015]天线平面阵，接收入射信号；
[0016]预处理模块，对所述天线平面阵接收到的入射信号进行预处理，将接收到的入射
信号变频至预定频率；
[0017]模数转换器，将来自信号预处理模块的模拟信号转换至数字信号；
[0018]二维波达方向估计模块，接收来自模数转换器的数字信号；构建所述数字信号基于第一波达方向α和第二波达方向β的解耦模型F = AJa )G(i3)+N，其中F为所述数字信号，AJa)为与第一波达方向α相关的流形矩阵，6(β)为与第二波达方向β相关的信号矩阵，N为噪声信号矩阵；在α域稀疏性前提下，对所述数字信号F进行α域稀疏重建，获得α域稀疏信号的支撑集，以得到α估计值；以及在β域稀疏性前提下，对信号矩阵G(i3)中与α估计值对应的行矢量进行β域稀疏重建，获得β域稀疏信号的支撑集，以得到与所述α估计值对应的β估计值。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1a和Ib示出了平面阵中二维波达方向表示的示意图。
[0020]图2示出了根据本申请的一种实施方式的基于平面阵的二维波达方向估计方法的流程图。
[0021]图3a_3b示出了根据本申请的一种实施方式的第一波达方向估计和第二波达方向估计的示意图。
[0022]图4a_4c是根据本申请的一种实施方式的基于平面阵的二维波达方向估计方法的优化方法的示意图。
[0023]图5是根据本申请的一种实施方式的二维波达方向估计器。
【具体实施方式】
[0024]下面参照附图对本申请公开的基于平面阵的二维波达方向估计方法进行详细说明。为简明起见，本申请各实施例的说明中，相同或类似的装置使用了相同或相似的附图标记。
[0025]天线阵列配置
[0026]考虑一个由MX W个天线阵元组成的平面矩形阵。位于第m行第w列(1≤m≤M，1≤ w≤ W)的阵元在二维平面上的坐标(x?，y?)满足
【权利要求】
1.一种基于平面阵的二维波达方向估计方法，包括: 构建所述平面阵接收信号基于第一波达方向α和第二波达方向β的解耦模型F =\(a)G(i3)+N，其中F为平面阵接收信号，\(α)为与第一波达方向α相关的流形矩阵，6(β)为与第二波达方向β相关的信号矩阵，N为噪声信号矩阵； 在α域稀疏性前提下，对平面阵接收信号F进行α域稀疏重建，获得α域稀疏信号的支撑集，以得到α估计值；以及 在β域稀疏性前提下，对信号矩阵G(i3)中与α估计值对应的行矢量进行β域稀疏重建，获得β域稀疏信号的支撑集，以得到与所述α估计值对应的β估计值。
2.如权利要求1所述的估计方法，其中，通过以下方式对平面阵接收信号F进行α域稀疏重建:
3.如权利要求2所述的估计方法，其中，所述获得a域稀疏信号的支撑集的步骤包括:限制a域重建信号误差小于第一预设门限，且最小化信号矩阵的P范数(O≤ρ<1)，以获得a域稀疏信号的支撑集。
4.如权利要求3所述的估计方法，进一步包括:通过以下方式限制a域重建信号误差小于第一预设门限，且最小化信号矩阵6(0)的P范数:
5.如权利要求4所述的估计方法，其中，所述第一预设门限CT12根据平面阵接收信号中的噪声信号分布确定。
6.如权利要求4所述的估计方法，其中，当所述平面阵中存在无效阵元时，所述a域重建信号误差是去除了无效阵元对应位置的数据的重建信号误差。
7.如权利要求1-6中任一项所述的估计方法，其中，所述对信号矩阵G(i3)中与α估计值对应的行矢量进行β域稀疏重建的步骤包括: 确定与α估计值中的每一个估计值A所对应的信号矩阵G(i3)中的行矢量
8.如权利要求7所述的估计方法，其中，所述获得β域稀疏信号的支撑集，以得到与所述α估计值对应的β估计值的步骤包括:对于α估计值中的每一个估计值电所对应的矩阵形式A的β域稀疏重建公
9.如权利要求8所述的估计方法，进一步包括:通过以下方式限制β域重建信号误差小于第二预设门限，且最小化β域稀疏信号矩阵的P范数:
10.如权利要求9所述的估计方法，其中，所述第二预设门限σ|根据根据平面阵中与第二波达方向β相关的线性子阵上的背景噪声信号分布确定。
11.一种基于平面阵的二维波达方向估计方法的优化方法，包括: 将α作为第一波达方向并将β作为第二波达方向，通过如前述任一权利要求所述的估计方法，先获得α估计值作为α第一估计值，后获得与所述α第一估计值对应的β估计值作为β第一估计值； 将β作为第一波达方向并将α作为第二波达方向，通过如前述任一权利要求所述的估计方法，先获得β估计值作为β第二估计值，后获得与所述β第二估计值对应的α估计值作为α第二估计值；以及 根据所获得的α第一估计值、α第二估计值、β第一估计值和β第二估计值，优化平面阵的二维波达方向估计值(α，β)。
12.—种二维波达方向估计器，包括: 天线平面阵，接收入射信号； 预处理模块，对所述天线平面阵接收到的入射信号进行预处理，将接收到的入射信号变频至预定频率； 模数转换器，将来自信号预处理模块的模拟信号转换至数字信号； 二维波达方向估计模块，接收来自模数转换器的数字信号；构建所述数字信号基于第一波达方向α和第二波达方向β的解耦模型F = \(a)G(i3)+N，其中F为所述数字信号，AL(a)为与第一波达方向a相关的流形矩阵，6(β)为与第二波达方向β相关的信号矩阵，N为噪声信号矩阵；在a域稀疏性前提下，对所述数字信号F进行a域稀疏重建，获得a域稀疏信号的支撑集，以得到a估计值；以及在β域稀疏性前提下，对信号矩阵G(i3)中与a估计值对应的行矢量进行β域稀疏重建，获得β域稀疏信号的支撑集，以得到与所述a估计值对应的β估计值。
【文档编号】G01S3/14GK104007414SQ201410177940
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】汪沣, 崔晓伟, 陆明泉 申请人:清华大学