专利名称：用于确定相干源抵达的方位角和仰角的方法
用于确定相干源抵达的方位角和仰角的方法本发明涉及用于确定相干源抵达的方位角和仰角的方法。例如，在城市环境中，传播信道受到大量的诸如建筑物的障碍的干扰，所述方法就应用于所述环境下的所有定位系统当中。通常，可以采用其在困难的传播环境下对诸如手机的发射器定位，不管这样的环境是城市环境、诸如航空站场地的半城市环境、建筑物的内部还是雪下(在雪崩的情况下)。 还可以将本发明应用于医疗成像方法，从而对肿瘤或癫痫源定位，其中，人体组织是多个波径的原点。也可以将其应用于测深系统，所述系统用于地震领域内的采矿和石油勘测，其中，目标在于估算在地壳的复杂传播介质中，以多路径抵达的角度。本发明属于在多传感器接收系统的基础上对来自大量发送源的信号进行处理的天线处理技术领域。更具体而言，本发明涉及角度测定领域，该领域在于估算各个源的抵达角度。在电磁环境中，传感器是天线，射频源是根据取决于发射天线的偏振传播的。在声环境中，传感器是传声器，源是声音。
图1示出了一种天线处理系统，其包括用于接收具有不同的抵达角度θ _的源的传感器的阵列102。所述阵列的各个传感器101接收源E1、E2，所述源的相位和幅度具体取决于它们的入射角和传感器的位置。在一维(ID)下通过方位角Qn^f入射角参数化，在二维OD)下通过方位角θω和仰角Δω对入射角参数化。根据图2，假设所述源的波是在传感器阵列的平面201内传播的，这样通过仅估算方位角的技术定义ID测角术。在测角术技术连带估算源的方位角和仰角时，就是2D测角术的问题了。值得注意的是，天线处理技术的目的在于利用由入射信号的多天线接收而生成的空间多样性，换言之，在于采用阵列中的天线的位置更好地利用源的入射差异和源的距离差异。图3示出了在存在多个路径的情况下的对测角术的应用。第m源301沿具有入射角θωρ(1<ρ彡P)的P个路径311、312、313传播，所述P个路径是由射频环境中的P-I个障碍320引起的。需要指出，采用根据本发明的方法处理的问题在于针对相干路径执行2D 测角术，在所述相干路径中直接路径和次级路径之间的传播时间偏差非常低。一种执行测角术的已知方法是MUSIC算法[1]。但是，这种算法不可能在存在相干路径的情况下估算源的入射角。能够使处理相干源的情况成为可能的算法是最大似然算法[2] [3]，所述算法适用于具有任何几何结构的传感器阵列。但是，这些技术要求计算多维准则，在所述标准中，维数取决于路径的数量以及每条路径的入射参数的数量。更具体而言，在存在K个路径的情况下，对于2D测角术而言所述标准具有I个维度，从而连带估算所有的入射角(旦…， |κ)。应当指出，即使在存在数量K'个相干路径的情况下(数量K'个路径少于总数K个路径)，最大似然准则仍然具有观个维度。为了将所述准则的维度的数量降至观‘个，一种替代方案是应用相干MUSIC法W]。但是，相干MUSIC算法[4]需要大量的传感器和非常多的计算资源。
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另一种降低计算成本的替代方案是实施空间平滑或前向-后向技术[5H6]，这些技术要求特定的阵列几何结构。在实践中，在将阵列分解成具有相同几何结构的子阵列 (例如均勻间隔的线性阵列或规则2D网格上的阵列)时，空间平滑适用。前向一后向算法需要具有对称中心的阵列。这些技术就传感器阵列的几何结构而言具有高度的限制性， 由其是对于2D测角术而言，在该技术当中，对称性的限制或经平移的等同子阵列的限制难以 两足。对于ID测角术而言，已经针对任何阵列[6] [7]考虑了空间平滑技术。对此而言， 根据适于空间平滑(或前向一后向)的测角术对传感器的阵列内插。在[6]中，内插技术仅解决单个角区段，在[7]中，所述算法适用于针对内插具有若干角区段的情况。然而，这类技术难以适合2D测角术的情况。本发明的一个目的在于提出一种通过尽可能大地限制对传感器阵列施加的几何约束而以降低的计算成本由传感器阵列确定通过相干信号的方位角和仰角的方式表达的抵达方向的方法。为此，本发明的主题是一种用于在包括传感器阵列的系统中连带确定P 个波的波矢量的方位角θ和仰角△的方法，所述P个波中的若干个波在源和所述传感器之间沿相干或基本相干的路径传播的，所述方法的特征在于其至少包含下述步骤■从所述传感器中选择传感器的子集，以形成线性传感器子阵列；■向来自选定子阵列的信号应用根据单一维度的算法，从而对所述P个波的源去相干；■通过向在选定子阵列的传感器上观察到的信号应用根据单个维度w的测角术算法确定所述波矢量的第一分量w ；■通过向来自整个传感器阵列的信号应用根据单一维度U的测角术算法确定所述波矢量的第二分量U;■由w和U确定θ和Δ。根据本发明的方法通过采用单个维度将二维测角术问题划分为两个阶段而使得降低该问题的复杂性成为了可能用于估算波矢量的投影值w的第一阶段，之后是用于估算波矢量的另一分量u的值的阶段。根据根据本发明的方法的一种实现，■对形成子阵列的传感器加以选择，从而使子阵列的至少一部分不因平移而变化；■应用空间平滑算法，从而对P个波的源去相干。“不因平移而变化”这一表达应当被理解为，所述子阵列至少存在一个子集，该子集的传感器的布置使得所述传感器就像是所述子阵列的另一传感器子集的平移结果一样。根据根据本发明的方法的一种实现，■对形成所述子阵列的传感器加以选择，从而使所述子阵列的至少一部分包括对称中心；■应用前向一后向算法，从而对P个波的源去相干。“子阵列的对称中心”这一表达应当被理解为，对于每一传感器而言，存在相对于所述中心对称放置的传感器。根据根据本发明的方法的一种实现，所确定的波矢量的第一分量w是所述波矢量在由传感器阵列形成的平面上的投影在由线性子阵列形成轴上形成的投影。换言之，对于每条路径P而言，Wp = COS ( θ p-a). C0S(Ap)，α是方位角，由线性子阵列形成的轴具有根据所述方位角的取向。根据根据本发明的方法的一种实现，所述方法至少包括下述步骤■计算整个传感器阵列上的协方差矩阵Rx ；■从Rx中提取对应于选定线性子阵列的协方差矩阵Rx'；■向Rx，应用源去相干算法；■通过向去相干矩阵Rx’应用ID测角术算法估算每条路径ρ的第一分量的值Wp =cos( θ p-a). COS(Ap), α是由线性子阵列形成的轴的方位取向角；■通过向矩阵艮应用ID测角术算法估算每条路径ρ的第二分量的值、=
权利要求
1.一种用于在包括传感器阵列(1001)的系统中连带确定P个波的波矢量的方位角θ 和仰角△的方法，所述P个波中的若干个波在源和所述传感器之间沿相干或基本相干的路径传播，所述方法的特征在于其至少包括下述步骤■从所述传感器中选择传感器的子集，以形成传感器的线性子阵列(1002)； ■向来自选定子阵列的信号应用根据单一维度的算法，从而对所述P个波的源去相干；■通过向在选定子阵列的传感器上观测到的信号应用根据单个维度W的测角术算法确定所述波矢量的第一分量W ；■通过向来自整个传感器阵列的信号应用根据单一维度U的测角术算法确定所述波矢量的第二分量U;■由w和 u确定θ和Δ。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于■选择形成所述子阵列的传感器，从而使所述子阵列的至少部分不因平移而变化； ■应用空间平滑算法，从而对所述P个波的源去相干。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于■选择形成所述子阵列的传感器，从而使所述子阵列的至少部分包括对称中心； ■应用前向一后向算法，从而对所述P个波的源去相干。
4.根据权利要求1、2或3中的一项所述的方法，其特征在于，所确定的波矢量的所述第一分量w是所述波矢量在由所述传感器阵列形成的平面上的投影在由所述线性子阵列形成的轴上的投影。
5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，其至少包括下述步骤 ■计算整个传感器阵列上的协方差矩阵&；■从Rx中提取对应于选定线性子阵列的协方差矩阵Rx'； ■向Rx'应用源去相干算法；■通过向去相干矩阵民’应用ID测角术算法估算每条路径ρ第一分量的值Wp = cos(9p-a).Cos(Ap), α是由所述线性子阵列形成的所述轴的方位取向角；■通过向矩阵民应用ID测角术算法估算每条路径ρ的第二分量的值up = cos(9p).Cos(Ap)；■由对(wp，up)的值确定方位角一仰角对(θρ，Δρ)的值。
6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于用于确定每一波矢量P的第一分量w的测角术算法是MUSIC算法，有待最小化以确定所述分量w的准则Jmusk等于
7.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，用于确定所述第二分量的测角术算法是单一维度下的相干MUSIC算法，有待最小化的准则是.、 ‘W -MC0S( )、其中丝如)·.· ikj，^/>)=4m，^H’α是由所述线性子阵列形成的所述轴的方位取向角，D(旦)是等于[a(旦工)… a(旦的矢量，a(旦J是所述传感器阵列对下标为i的路径的响应，Kmax是相干路径的最大数量。
8.根据权利要求1到6之一所述的方法，其特征在于，用于确定所述第二分量的测角术算法是最大似然算法。
9.根据权利要求5到8之一所述的方法，所述阵列受到已知矩阵Z的互耦的扰动，所述方法的特征在于其包括用于消除耦合的步骤，其中该步骤在估算分量w和u的值的步骤之前执行，所述的用于消除耦合的步骤通过对协方差矩阵应用下述处理而确定了清除了噪声的协方差矩阵厂乂艮-。2Ι)Ζ_1Η，σ 2是估算的噪声水平。
10.根据权利要求5到9之一所述的方法，其特征在于，按照下式由所述对Ovup)的值确定所述对(θ ρ，Δρ)的值θρ = angle [up+jv
全文摘要
本发明涉及一种用于在包括传感器阵列(1001)的系统中连带确定P个波的波矢量的方位角θ和仰角Δ的方法，所述P个波中的若干个波在源和所述传感器之间沿相干或基本相干路径传播的，所述方法至少包括下述步骤从所述传感器中选择传感器的子集，以形成传感器的线性子阵列(1002)；向来自选定子阵列的信号应用根据单一维度的算法，从而对所述P个波的源去相干；通过向在选定子阵列的传感器上观测到的信号应用根据单个维度w的测角术算法确定所述波矢量的第一分量w；通过向来自整个传感器阵列的信号应用根据单一维度u的测角术算法确定所述波矢量的第二分量u；由w和u确定θ和Δ。
文档编号G01S3/74GK102317808SQ200980156714
公开日2012年1月11日 申请日期2009年11月23日 优先权日2008年12月23日
发明者A·费雷奥尔, J·布吕吉耶, P·莫尔冈 申请人:塔莱斯公司