基于无网格的混合场源信号定位方法及系统

本发明涉及电子通信信号定位识别，特别涉及一种基于无网格的混合场源信号定位方法及系统。

背景技术：

1、信源定位是雷达、声纳、无线通信和语音识别定位等领域的重要课题之一。在过去的几十年里，研究者们开发了各种高分辨率算法，其中应用最广泛的是多重信号分类(music)和通过旋转不变量技术(esprit)估计信号参数算法。根据菲涅耳区的定义，可将信源分为远场(ff)源和近场(nf)源。对于远场源，其信源的入射波假设为平面波，所需估计的参数只含有角度信息；而近场源的入射波假设为球面波，此时信源的位置由角度和距离参数联合确定，在ff源和nf源同时存在的混合场情况下，信号模型相对更复杂。

2、当前基于四阶累积量的混合场定位算法主要分为空间平滑算法和压缩感知类算法两种。空间平滑算法只能利用虚拟阵列的连续滞后部分，算法精度较低；传统压缩感知类算法大部分是基于网格的，网格精度会影响到算法性能，提高网格精度又会导致算法复杂度增加；现有的混合场下基于无网格化压缩感知算法都是在物理阵列上实现插值，误差较大，定位成功率低。本发明旨在利用无网格化的思想实现四阶累积量下混合场的定位。同时，结合虚拟阵列插值的思想，对高阶累积量矩阵进行插值，以实现高精度的混合场定位。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种基于无网格的混合场源信号定位方法及系统，解决现有电子通信定位中网格失配等问题。

2、按照本发明所提供的设计方案，提供一种基于无网格的混合场源信号定位方法,包含：

3、针对目标区域中混合场源，构建已消除距离参数的四阶累积量矩阵：

4、通过对四阶累积量矩阵上进行插值操作来生成等同于均匀阵列的四阶累积量矩阵；

5、基于等同于均匀阵列的四阶累积量矩阵并利用原子范数理论来构造混合场源波达方向估计优化问题；

6、利用music矩阵特征空间分解方法对混合场源波达方向估计优化问题进行求解，依据求解结构来获取混合场源波达方向估计值及距离估计值。

7、作为本发明基于无网格的混合场源信号定位方法，进一步地，针对目标区域中混合场源，构建已消除距离参数的四阶累积量矩阵，包含:首先，依据信号接收传感器对称阵列和传感器传播时延相移获取混合场源接收信号表示；然后，利用四阶累积量的对称性消除混合场源接收信号相位中受信源距离参数影响的分量，以构建混合场源中四阶累积量矩阵。

8、作为本发明基于无网格的混合场源信号定位方法，进一步地，四阶累积量矩阵表示为：c1＝bc4sbh，其中，b为阵列转向矩阵，且k为混合场源个数，2m+1为接收传感器个数，θk表示第k场源的波达方向信息，为接收信号sk(t)的四阶累积量矩阵，ωk为接收信号角度信息，代表实数集。

9、作为本发明基于无网格的混合场源信号定位方法，进一步地，通过对四阶累积量矩阵上进行插值操作来生成等同于均匀阵列的四阶累积量矩阵，包含：首先，利用阵列转向矩阵将四阶累积量矩阵向量化，得到向量表示；接着，移除向量中重复项，并利用预设的选择矩阵来获取中间向量表示，通过中间向量表示来构造toeplitz矩阵；然后，利用插值信号向量对toeplitz矩阵进行插值操作，以构造等同于均匀阵列的四阶累积量矩阵。

10、作为本发明基于无网格的混合场源信号定位方法，进一步地，利用预设的选择矩阵来获取中间向量表示的过程表示为：cg＝gcl＝agc'4s，其中，ag为协数组流形矩阵，g为选择矩阵，cl为四阶累积量矩阵向量化得到的向量表示，cg为中间向量表示，k为混合场源个数。

11、作为本发明基于无网格的混合场源信号定位方法，进一步地，基于等同于均匀阵列的四阶累积量矩阵并利用原子范数理论来构造的混合场源波达方向估计优化问题表示为：其中，t(u)为以u为第一列的toeplitz矩阵，f为包含0和1值的选择矩阵，且该选择矩阵与等同于均匀阵列的四阶累积量矩阵ci的零值和非零值相对应，ε为拟合误差，tr[]代表迹函数，c、w为凸优化求解结果值。

12、作为本发明基于无网格的混合场源信号定位方法，进一步地，利用music矩阵特征空间分解方法对混合场源波达方向估计优化问题进行求解中，首先，通过求解获取混合场源中波达方形估计信息，然后，对接收信号的协方差矩阵进行特征值分解，并结合波达方向估计信息来获取混合场源中的距离估计值。

13、进一步地，本发明还提供一种基于无网格的混合场源信号定位系统，包含：信号处理模块和信号估计模块，其中，

14、信号处理模块，用于针对目标区域中混合场源，构建已消除距离参数的四阶累积量矩阵：通过对四阶累积量矩阵上进行插值操作来生成等同于均匀阵列的四阶累积量矩阵；

15、信号估计模块，用于基于等同于均匀阵列的四阶累积量矩阵并利用原子范数理论来构造混合场源波达方向估计优化问题；并利用music矩阵特征空间分解方法对混合场源波达方向估计优化问题进行求解，依据求解结构来获取混合场源波达方向估计值及距离估计值。

16、本发明的有益效果：

17、本发明利用虚拟阵列内插思想和原子范数最小化方法相结合，通过实现在消除距离参数的四阶累积量矩阵上的插值操作，构建可等同于均匀线阵的四阶累积量矩阵，进而在该矩阵的基础上进行混合场的定位，可以实现高精度的混合场定位，且定位成功率高，具有较好的鲁棒性，具有较好的应用前景。

技术特征：

1.一种基于无网格的混合场源信号定位方法,其特征在于，包含：

2.根据权利要求1所述的基于无网格的混合场源信号定位方法，其特征在于，针对目标区域中混合场源，构建已消除距离参数的四阶累积量矩阵，包含:首先，依据信号接收传感器对称阵列和传感器传播时延相移获取混合场源接收信号表示；然后，利用四阶累积量的对称性消除混合场源接收信号相位中受信源距离参数影响的分量，以构建混合场源中四阶累积量矩阵。

3.根据权利要求2所述的基于无网格的混合场源信号定位方法，其特征在于，四阶累积量矩阵表示为：c1＝bc4sbh，其中，b为阵列转向矩阵，且k为混合场源个数，2m+1为接收传感器个数，θk表示第k场源的波达方向信息，为接收信号sk(t)的四阶累积量矩阵，ωk为接收信号角度信息，代表实数集。

4.根据权利要求1所述的基于无网格的混合场源信号定位方法，其特征在于，通过对四阶累积量矩阵上进行插值操作来生成等同于均匀阵列的四阶累积量矩阵，包含：首先，利用阵列转向矩阵将四阶累积量矩阵向量化，得到向量表示；接着，移除向量中重复项，并利用预设的选择矩阵来获取中间向量表示，通过中间向量表示来构造toeplitz矩阵；然后，利用插值信号向量对toeplitz矩阵进行插值操作，以构造等同于均匀阵列的四阶累积量矩阵。

5.根据权利要求4所述的基于无网格的混合场源信号定位方法，其特征在于，利用预设的选择矩阵来获取中间向量表示的过程表示为：cg＝gcl＝agc'4s，其中，ag为协数组流形矩阵，g为选择矩阵，cl为四阶累积量矩阵向量化得到的向量表示，cg为中间向量表示，为接收信号sk(t)的四阶累积量矩阵，k为混合场源个数。

6.根据权利要求4所述的基于无网格的混合场源信号定位方法，其特征在于，基于等同于均匀阵列的四阶累积量矩阵并利用原子范数理论来构造的混合场源波达方向估计优化问题表示为：其中，t(u)为以u为第一列的toeplitz矩阵，f为包含0和1值的选择矩阵，且该选择矩阵与等同于均匀阵列的四阶累积量矩阵ci的零值和非零值相对应，ε为拟合误差，tr[]代表迹函数，c、w为凸优化求解结果值。

7.根据权利要求1所述的基于无网格的混合场源信号定位方法，其特征在于，利用music矩阵特征空间分解方法对混合场源波达方向估计优化问题进行求解中，首先，通过求解获取混合场源中波达方形估计信息，然后，对接收信号的协方差矩阵进行特征值分解，并结合波达方向估计信息来获取混合场源中的距离估计值。

8.一种基于无网格的混合场源信号定位系统，其特征在于，包含：信号处理模块和信号估计模块，其中，

9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信；

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1～7任一项所述的方法步骤。

技术总结
本发明涉及电子通信信号定位识别技术领域，特别涉及一种基于无网格的混合场源信号定位方法及系统，针对目标区域中混合场源，构建已消除距离参数的四阶累积量矩阵：通过对四阶累积量矩阵上进行插值操作来生成等同于均匀阵列的四阶累积量矩阵；基于等同于均匀阵列的四阶累积量矩阵并利用原子范数理论来构造混合场源波达方向估计优化问题；利用MUSIC矩阵特征空间分解方法对混合场源波达方向估计优化问题进行求解，依据求解结构来获取混合场源波达方向估计值及距离估计值。本发明可以实现高精度的混合场定位，且定位成功率高，具有较好的鲁棒性，具有较好的应用前景。

技术研发人员：巴斌,林伟,张晋,王建辉,许海韵,崔维嘉,菅春晓,曲晶,任嘉伟,邓海林
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12