专利名称：一种基于空域自适应滤波的波达方向估计方法
技术领域：
本发明涉及阵列信号处理中的波达方向估计方法，具体涉及ー种基于空域自适应滤波的窄带信号的波达方向估计方法。
背景技术：
信号的波达方向估计是阵列信号处理中的重要研究内容，广泛应用于雷达、声纳、通信等系统中。目前，针对大信噪比情况下的窄带信号的各种波达方向(Direction OfArrival,D0A)估计方法中，多重信号分类法(Multiple SignalsClass,MUSIC)具有超分辨特性，受到广泛关注。但由于MUSIC算法在实现过程中，需要估计信源个数，同时也需要对接收信号协方差矩阵进行特征分解，一旦接收阵元的数量较大，对信号进行处理的计算量大大增加，这些都不利于在FPGA或者DSP器件中实现。由于MUSIC算法的这些缺点，导致该方法工程实现困难。·
发明内容
本发明专利要解决的技术问题是针对窄带信号设计新的波达方向估计方法，以克服使用经典MUSIC算法中需要已知信源个数，计算过程复杂，计算量大的不足。解决上述问题的技术方案是ー种基于空域自适应滤波的波达方向估计方法，其实现步骤为第一歩，由N+1个阵元构成的均匀线阵中，阵元间距I为半个波长，第一个阵元为參考阵元，其余N个阵元为辅助阵元，对阵元接收的窄带信号进行K次采样，采样频率为
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fs，则參考阵元接收信号为d=[d(l)...d(K)]，辅助阵元接收信号为……，x(l)= ...，
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)=...，其中N和K都为自然数，K>2N;第二步，对所有接收数据矢量进行正交变换，得到相应的解析信号……,d声(I) _ ；第三歩，对解析信号采用基于功率倒置的空域自适应滤波算法，进行M次迭代计算求权值，在权值w (k)收敛后，最后一次迭代计算出最优权值w (M)，该权矢量为N行列矢量，其中，迭代次数满足k〈M〈K;第四步，根据得到的最优权值矢量W(M)，把所有N+1个阵元视为ー个新的阵列，构造一个新的权值矢量为《^ =及方向矢量'^が)=v(ダ，v( 0 )为入射信号进入N个辅助阵元的方向矢量；第五步，定义空间谱尸⑷=g 、，在可见区间沒￡内，对空间谱进行谱
We Ve(0)L 2 2」峰捜索，谱峰位置即为估计出的信号波达方向，谱峰个数即为信号个数。上述一种基于空域自适应滤波的波达方向估计方法，其第三步采用的基于功率倒置的空域自适应滤波算法，具体的实现步骤为第一步,取初值W(O)=O, k=l,收敛判决门限e ,迭代步长Ii ；第二步，计算阵列输出误差信号e(k),其中= (た)-(左)；第三步,迭代计算权值w(た+1)= w(た)+/^第四步，计算I e(k) I2,进行判断，若I e(k) I2彡e，贝丨J k=k+l,转第二步；若e (k) 12< e ,权值w(k)收敛,此时取M=k,停止计算。本发明的有益效果是新方法实现了窄带信号的DOA估计，不仅无需进行信源数 估计和矩阵特征分解，计算量大大减小，而且该方法在保持高分辨率情况下，各个计算步骤都适合FPGA或者DSP设计，便于工程实现。
图I均匀线阵下阵列接收信号的示意2本发明方法的流程示意3空域自适应滤波结构框4本发明方法的窄带信号DOA估计空间谱图具体实施方法本发明方法是ー种基于空域自适应滤波的窄带信号的波达方向估计方法，该方法采用ー种基于功率倒置的自适应空域滤波算法来构造阵列权值矢量及方向矢量，然后定义空间谱函数，从而实现信号DOA估计。本发明无需进行信源数估计和矩阵特征分解，減少了运算量，便于工程实现。下面对本发明方法进行详细地描述。本发明方法针对远场不相干的窄带信号，图I为均匀线阵下阵列接收信号的示意图。图中，阵列由N+1个相同的全向阵元构成，阵元间距I为半个波长。空间具有J个入
射信号，这些信号DOA分别为9 j, j=l, 2, . . . , J,姆个DOA位于区间-7，y，J〈N+1。在系
统阵列为N+1阵元构成的均匀线阵中，设置第一个阵元为參考阵元，位于坐标原点，其余N个为辅助阵元，则第j个信号到达该点时为\_(t)。阵列接收信号可以表示为y(t) = [d(t)，
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X1 a), ...，xN(t)]T，符号[]T表示对矢量和矩阵求转置，其中#)=之为
參考阵元接收的噪声信号，第n个辅助阵元接收信号为レ)+W)，Tnj为第
n个辅助阵元接收到的第j个信号相对于原点信号的延时，in(t)为第n个辅助阵元接收的噪声信号，n= 1，2，...，N。图2为本发明方法的流程示意图，具体方法分为五个步骤第一歩，对阵元接收的窄带信号进行K次采样，采样频率为fs，则參考阵元接收信
'.T1(I)I P灰T号为 d= [(d(l)...d(K)]，辅助阵元接收信号为.....,X(I)= ... ,X(K)= ...，其中
_XN (1)__XNN和K都为自然数，K > 2N;第二歩，对所有接收数据矢量进行正交变换，得到相应的解析信号，3x(l)， ......，x(K);第三歩，对解析信号采用基于功率倒置的空域自适应滤波算法，进行M次迭代计算求权值，在权值w (k)收敛后，最后一次迭代计算出最优权值w (M)，该权矢量为IV行列矢量，其中，迭代次数满足k < M < K ;第四步，根据得到的最优权值矢量W (M)，把所有N+1个阵元视为ー个新的阵列，构造ー个新的权值矢量为Wfi=及方向矢量^ ,v(Q)为入射信号进入N个辅助阵元的方向矢量；
Ir第五步，定义空间谱パめ=H⑻，在可见区间沒€ H内，对空间谱进行谱
峰捜索，谱峰位置即为估计出的信号波达方向，谱峰个数即为信号个数。上述一种基于空域自适应滤波的波达方向估计方法，其第三步采用的基于功率倒置的空域自适应滤波算法，具体的实现步骤为第一歩,取初值w(o) = 0, k = I,收敛判决门限e，迭代步长U ;第二步，计算阵列输出误差信号e(k),其中= 第三步,迭代计算权值w(是+1) = w(を)+//￡(作*(んう；第四步，计算I e (e) 12，进行判断，若| e (k) |2彡e，则k=k+l,转第二步；若e (k) 12< e ,权值w(k)收敛,此时取M=k,停止计算。图4是按照本发明方法对非相干窄带信号进行DOA估计仿真，得到的空间谱图，其
中阵列个数N+l=8，I为半个波长，空间信号J=2，DOA分别为f和-:，采样频率fs=10MHz，
快拍数K=2000，信噪比分别为IOdB和20dB。图中，两个谱峰对应的角度等于信号入射的角度，说明本发明方法的正确性。本发明利用功率倒置自适应空间滤波产生权矢量，计算空间谱，从而估计信号D0A。相对于传统MUSIC算法，保持高分辨率情况下，运算量大大减小，满足系统实时性要求，实现更为简単。
权利要求
1.一种基于空域自适应滤波的波达方向估计方法，其实现步骤为 第一歩，由N+1个阵元构成的均匀线阵中，阵元间距I为半个波长，第一个阵元为參考阵元，其余N个阵元为辅助阵元，对阵元接收的窄带信号进行K次采样，采样频率为fs， 则參考阵元接收信号为d=[cKl). . . d(K)]，辅助阵元接收信号为……，
2.根据权利要求I所述的ー种基于空域自适应滤波的波达方向估计方法，其特征在于第三步采用的基于功率倒置的空域自适应滤波算法，其具体的实现步骤为 第一歩，取初值W(O)=O, k=l,收敛判决门限e ,迭代步长ii ； 第二步，计算阵列输出误差信号e(k),其中
全文摘要
一种基于空域自适应滤波的波达方向估计方法是针对均匀线阵，实现步骤为1)接收数据进行K次采样，则参考阵元接收信号为d，辅助阵元接收信号为x(1)，......，x(K)；2)所有数据进行正交变换得解析信号......，3)对解析信号采用基于功率倒置的空域自适应滤波算法进行M次迭代计算，最后一次迭代计算出最优权值w(M)；4)把所有N+1个阵元视为一个新的阵列，构造一个新的权值矢量为we及方向矢量ve(θ)；5)定义空间谱p(θ)，在可见区间内，对空间谱进行谱峰搜索，完成波达方向估计。该方法实现了窄带信号的DOA估计，无需进行信源数估计和矩阵特征分解，计算量小，分辨率高，实现简单。
文档编号G01S3/00GK102866383SQ201210404468
公开日2013年1月9日 申请日期2012年10月22日 优先权日2012年10月22日
发明者曾浩, 王娅, 赵静, 凤林锋, 刘陆军 申请人:重庆大学