基于单快拍数据的相干信号doa估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及能同时指示不同信号方向的阵列天线系统或方法技术领域，尤其涉及 一种基于单快拍数据的相干信号D0A估计方法。
【背景技术】
[0002] 以多重信号分类算法（MUSIC,multiplesignalclassification)和基于旋转不 变技术的信号参数估计算法（ESPRIT,estimationofsignalparameterviarotational inviancetechniques)等经典算法为代表的超分辨波达方向（DOA)技术是现代空间谱估 计的一个重要研宄点。其对信号空间到达角估计的精确性、实时性以及其广泛的应用前景 引起人们的极大关注。在经典的D0A估计算法中，MUSIC算法和ESPRIT算法的实现都依 赖于接收数据的协方差矩阵，接收数据协方差矩阵只能通过有限次快拍数据计算来近似得 到，且要求该协方差矩阵的秩等于信号源的数目。在实际应用中，在处理短时突发数据或接 收信号经过相干积累后只有单快拍数据可用时，该协方差矩阵的秩降为1，则经典的MUSIC 算法和ESPRIT算法失效。单快拍条件下的DOA估计是空间谱估计亟需解决的一个实际问 题。
[0003]目前，针对单快拍条件下的D0A估计的方法包括：直接数据域类方法、加权求和方 法和基于数据互相关预处理的相关算法等。在直接数据类算法中，大多数此类算法都只使 用奇数个阵元的接收数据构造伪协方差矩阵，若阵元个数为偶数，则会造成接收数据信息 的浪费；还有一些此类算法则在构造伪协方差矩阵时增加的对信号源形式的约束，当信号 源形式不满足约束条件时，算法失效。加权求和方法利用部分接收数据求和后的数据构造 伪协方差矩阵，该方法通过增加求和的信号数目来获得信噪比的提升，同时减小了伪协方 差矩阵的自由度。基于数据互相关预处理的算法能获得较好的D0A估计性能，但在数据预 处理方面增加了额外的计算量，且D0A估计性能受参考点接收数据的影响。目前单快拍条 件下的D0A估计算法中构造的伪协方差矩阵大多都是方阵，其他形式的伪协方差矩阵尚未 得到充分应用。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于单快拍数据的相干信号D0A估计方 法，所述方法利用了单快拍下的所有接收数据，提高了D0A估计的准确性。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于单快拍数据的相干 信号D0A估计方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
[0006] 步骤一：天线的均匀直线阵列的阵元数为M，空间有N个相关性未知的远场窄带信 号入射到所述均匀直线阵列上，则t时刻各阵元的输出数据矩阵X(t) =A( 0 )S(t)+N(t) 为NX1的复矩阵，其中A(0) = [aplapj…a(0N)]，为MXN的阵列导向矢量矩阵， S(t)表示源信号矢量矩阵；N(t)表示阵列输出的噪声均值为零方差为〇2的加性高斯白噪 声，且与源信号不相关；
[0007]步骤二：t时刻各阵元的输出数据矩阵X(t) = [xjt),x2(t),???，xM(t)]T，利用每 个阵元的输出数据构造出伪协方差矩阵札和R2，其中札和R2的定义如下：
[0008] 当均匀直线阵列的阵元数M为奇数时，Ri表示为
【主权项】
1. 一种基于单快拍数据的相干信号DOA估计方法，其特征在于所述方法包括以下步 骤： 步骤一：天线的均匀直线阵列的阵元数为M，空间有N个相关性未知的远场窄带信号 入射到所述均匀直线阵列上，则t时刻各阵元的输出数据矩阵X(t) =A( 0 )S(t)+N(t)为 NX1的复矩阵，其中A(0) = [a(01)，a(02)...a(0N)]，为MXN的阵列导向矢量矩阵， S(t)表示源信号矢量矩阵；N(t)表示阵列输出的噪声均值为零方差为〇2的加性高斯白噪 声，且与源信号不相关； 步骤二：t时刻各阵元的输出数据矩阵X(t) = [11(1:)，12(1:)，"％111(1:)]1，利用每个阵 元的输出数据构造出伪协方差矩阵札和r2，其中札和r2的定义如下： 当均匀直线阵列的阵元数M为奇数时，Ri表示为
式中，叉为副对角线上元素全为1的方阵，维数为[(M+l)/2]X[(M+l)/2]; 当均匀直线阵列的阵元数M为偶数时，&表示为 R2表不为
步骤三：针对所使用的天线阵列阵元的奇偶状况，计算出步骤二所构造出的伪协方差 矩阵札的转置，即R/; 步骤四：构造出新的扩展的伪协方差矩阵R=[IVR2]; 步骤五：对R进行奇异值分解，在奇数个天线阵元的条件下，分解出（M+1)/2个特征值 为入i彡人2彡…彡人N彡人N+1 =…=人tt+1)/2= 〇 2,在偶数个天线阵元的条件下，分解出 (M+2)/2个特征值为A#A2彡…彡AAN+1 =…=A_/2= 〇 2,通过判断大特征值 的个数来估计信号源个数，并根据所对应的特征向量分别得到信号子空间Us和噪声子空 间矩阵UN;
步骤六：利用MUSIC算法构建空间谱函； 1为源信号 的空间到达角，当M为奇数时，^(0)表示a(0)的后（M+l)/2行，当M为偶数时，表 示a(0)的后（M+2)/2行，使空间到达角0在（-90°，90° )范围内变化，找出空间谱PiuSrc( 9 )极大值点所对应的角度即为源信号的D0A。
【专利摘要】本发明公开了一种基于单快拍数据的相干信号DOA估计方法，涉及能同时指示不同信号方向的阵列天线系统或方法技术领域。所述方法通过对阵列的单次快拍接收数据进行重排，得到两个伪协方差矩阵，然后使用这两个伪协方差矩阵来扩展重构子空间算法的伪协方差矩阵。对新的伪协方差矩阵进行奇异值分解得到信号子空间和噪声子空间，再利用MUSIC谱估计方法对相干来波信号进行DOA估计。本方法在单快拍条件下能够解除源信号间相干性，同时进一步提高了DOA的估计精度，主要应用于单快拍条件下对相干信号的来波方向的快速估计。
【IPC分类】G01S3-74
【公开号】CN104698433
【申请号】CN201510114319
【发明人】邓超升, 朱立东, 陈天宇
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年3月16日