基于旋转均匀圆阵的近场源参数估计解模糊方法与流程

本发明属于阵列信号处理
技术领域：
，特别是涉及一种均匀圆阵下近场源参数估计解模糊方法，可用于近场源目标精确定位。
背景技术：
：信号源参数估计一直是阵列信号领域的重要研究问题之一。根据信号源与阵列之间的距离远近，可以将其分为远场源和近场源。其中，远场源远离接收阵列，相对于阵列孔径处于远场，信号到达各个阵元的波前假定为平面波，近场源空间位置由波达方向参数确定；近场源处于阵列的菲涅耳区(近场区)，信号波前近似为球面波，其空间位置由距离和波达方向参数联合确定。均匀圆阵相对其他阵列结构具有全方位角覆盖、几乎不变的方向图以及额外的俯仰角信息等优点，因此基于均匀圆阵的近场源参数估计引起了国内外相关学者的广泛研究。J.H.Lee等在论文《Algebraicpath-followingalgorithmforlocalizing3-Dnear-fieldsourcesinuniformcirculararray》(ElectronicsLetters.2003,37(17):pp.1283-1285)中提出采用三维MUSIC(MultipleSingleClassificationMethod)谱峰搜索算法分别对方位角、俯仰角和距离进行估计，虽然其定位精度较高，但计算复杂度较大。王伟等在论文《基于相位差的均匀圆阵DOA估计新方法》(系统工程与电子技术，2012，34(10))中通过均匀圆阵相邻阵元接收信号相位差，推导出其与方位角和俯仰角的关系，进而给出二维参数估计的闭式解，但算法没有考虑对距离参数的估计，且鲁棒性不强。吴云涛等在论文《Fastalgorithmforthree-dimensionalsinglenear-fieldsourcelocalizationwithuniformcirculararray》(IEEECIEInternationalConferenceonRadar，2011，1)中利用均匀圆阵结构的特殊性，通过两对相关序列的复共轭积结合最小二乘算法分别得到角度和距离的估计，尽管算法相对MUSIC算法计算量显著减小且精度较高，但限制了阵元个数。Tae-JinJung等在论文《Closed-FormAlgorithmfor3-DSingle-SourceLocalizationWithUniformCircularArray》(IEEEAntennasAndWirelessPropagationLetters.2014,13:pp.1096-1099)利用不同阵元接收信号的相位差与近场源位置之间的对应关系，基于最小二乘算法提出了一种具有闭式解的近场源三维参数估计方法，该算法在保证一定的估计精度前提下大幅降低了计算复杂度，具有较强的实用性。然而，上述方法能够实现近场源三维参数精确估计的前提条件是阵元间的最短距离小于信号源的半波长。在阵列固定的实际应用中，中心频率较高的近场辐射源如果不满足这一前提条件，则会出现相位模糊现象，导致近场源三维参数估计不准确，因此必须发展能够解决相位模糊的近场源三维参数估计方法。技术实现要素：本发明提出一种基于旋转均匀圆阵的近场源参数估计解模糊方法，解决现有方法对中心频率较高的近场辐射源进行三维参数估计时出现的相位模糊问题。实现本发明目的的技术思路是：首先，为了对旋转前后两组观测数据进行配准，在圆阵中心设置参考阵元并利用其初始相位差对其他阵元数据进行相位补偿；随后，在通过复共轭积计算各阵元旋转前后无模糊相位差的基础上，使用最小二乘法反演出近场源的方位、俯仰和距离。根据上述思路，本发明的技术方案包括如下步骤：(1)定义旋转前后均匀圆阵的接收数据：其中，m＝0,...,M，n＝1,...,N，M为阵元个数，N为快拍数，l＝1,2分别代表旋转前后的接收数据，sl(n)为零均值的复窄带信号，噪声是零均值复白高斯过程且和近场源相互独立，λ是近场源的波长，φ,θ,r分别对应近场源的方位角、俯仰角和距离，是近场源和第m个阵元间的距离，它可以写成如下的形式：其中，R是均匀圆阵的半径，由于R/rp≈0，二阶泰勒展开可以对rm(φ,θ,r),m＝1,2,...,M作近似估计得到：整理可得(2)利用中心阵元旋转前后位置不变，计算其两组接收数据的初始相位差得到：其中，(·)*表示复共轭，对第二组阵元接收数据进行相位补偿后得到：其中，m＝1,2,...,M；(3)经过相位补偿后，计算同一阵元旋转前后接收数据的复共轭积得到：其中，中间变量计算Rm的相位可以得到：(4)为保证不会出现相位模糊，相位差um需要满足um∈[-π,π)。um经过和差化积可以化简为其中，由于R/r≈0，可进一步化简得再根据|um′|≤π，可得其中，c是光速，f是近场源的频率；(5)um可以表示成：其中，(·)T代表转置运算，um还可以表示成矩阵相乘的形式：u＝Ab其中，u＝[u1u2…uM]T，(6)采用最小二乘法可以得到b的估计通过数学计算可以从b中计算出方位角、俯仰角、距离等参数信息，本发明的有益效果：1、本发明利用旋转均匀圆阵形成虚拟短基线来解固定阵列大小下超过阈值频率的近场源参数估计中的相位模糊；利用中心阵元旋转前后位置不变，计算其初始相位差来对旋转前后接收数据进行相位补偿，经过相位补偿后的相位差结合最小二乘估计，可以得到近场源三维参数估计的闭式解，因而不需进行多维搜索和构造高阶累积量，有效减小计算复杂度；2、本发明只需要将均匀圆阵逆时针旋转一个小角度，该角度的选择范围可由接收数据估计出的近场源频率获得；系统结构简单，工程上易于实现；3、实验结果表明，本发明相对于相位差参数估计算法，能够解高频近场源参数估计的相位模糊，无模糊估计的近场源频率范围较广。附图说明图1是本发明的实现流程图；图2是本发明所用的旋转均匀圆阵几何配置图；图3-图5是本发明对近场源三维参数估计的直方图分布图；图6-图8是本发明与相位差反演近场源参数估计算法的RMSEs随信噪比SNR变化曲线对比图。具体实施方式下面结合附图对本发明进一步说明：参照图2，本发明所用的旋转均匀圆阵的几何配置为：圆阵由13个阵元组成，其中圆阵中心处设置一参考阵元，其余阵元均匀分布在圆阵上，R是均匀圆阵的半径，λ是近场源的波长，φ,θ,r分别对应近场源的方位角、俯仰角和距离，φ1是均匀圆阵在xy平面上绕z轴逆时针旋转的小角度。参照图1，本发明的具体实现步骤如下：步骤1，定义旋转前后均匀圆阵的接收数据利用图2所示的旋转均匀圆阵结构，阵元旋转前后两组接收数据为：其中，m＝0,…,M，n＝1,…,N，N为快拍数，l＝1,2分别代表旋转前后的接收数据，sl(n)为零均值的复窄带信号，其功率为E[]为期望运算符；噪声是零均值复白高斯过程且和近场源相互独立；是近场源和第m个阵元间的距离，它可以写成如下的形式：其中，由于R/rp≈0，二阶泰勒展开可以对rm(φ,θ,r),m＝1,2,...,M作近似估计得到：整理可得步骤2，计算旋转角度的取值范围根据接收数据的频谱得到近场源的频率，随后计算得到旋转角度的取值范围其中，c是光速，f是近场源的频率；步骤3，计算旋转前后初始相位差选择合理的旋转角度φ1，均匀圆阵绕z轴逆时针旋转φ1度后，利用中心阵元旋转前后位置不变，计算其两组接收数据的相位差得到旋转前后阵元接收数据的初始相位差。步骤4，利用得到的初始相位差对圆阵上阵元接收数据进行相位补偿对圆周上阵元旋转后接收数据进行相位补偿后得到其中，m＝1,…,M；步骤5，计算相位补偿后，计算同一阵元旋转前后的相位差因为采样点有限，实际中利用相同采样点下接收数据复共轭积求平均来计算同一阵元旋转前后的相位差步骤6，采用最小二乘法得到近场源的三维参数估计的闭式解将相位差表示成矩阵形式：其中，采用最小二乘法可以得到b的估计为根据得到的可以反演得到近场源的方位角、俯仰角和距离的估计值为至此得到了近场源目标的方位角φ，俯仰角θ，距离r的估计值，实现了对近场源目标的定位。本发明的效果可以通过以下实验进一步说明一、实验环境参照图2，本发明所用的各种仿真参数如下表所示：表1仿真参数参数名称具体取值均匀圆阵阵元个数13圆阵半径0.6m近场源频率1GHz中心频率250MHz旋转角度10°采样频率625MHz采样时间2μs快拍数8192SNR10dB近场源方位角120°近场源俯仰角50°近场源距离4.5m二、实验内容与结果实验一：表1给出了实验参数信息。实验中假定入射的近场源为窄带近场源，圆阵中心布置一个阵元，其余阵元按中心对称结构均匀分布在圆阵上，圆阵半径、阵元位置以及旋转角度均假定为精确值，300次蒙特卡洛仿真实验得到近场源参数估计的直方图如图3所示。从图3方位角估计的直方图中可以看出，方位角的估计准确度较高，在真值上的估计次数最多，误差范围在0.1°以内；从图4给出的俯仰角估计的直方图中可知，估计值偏离真值较大，这主要是由于在实验条件下近场模型的菲涅耳近似误差引起，误差范围在0.8°以内；图5是对距离估计的直方图，估计值在真值附近波动，误差范围在0.2m以内。从图3-图5直方图分布的总体来看，旋转短基线法能够对近场源参数进行有效估计。实验二：实验中采用相邻阵元的相位差反演近场源参数估计算法和本发明解模糊方法对表1中实验参数下的近场源进行参数估计性能比较。300次蒙特卡洛仿真实验得到近场源参数估计的均方根误差(RMSEs)。从图6-图8中可以看出，相邻阵元的相位差反演近场源参数估计算法的RMSEs不随SNR变化，故算法在对表1实验参数下的近场源进行参数估计时已经出现相位模糊。相反，本发明提出的旋转解模糊方法参数估计的RMSEs随SNR的提高而降低，且估计性能较好。因此，本发明提出的算法能够有效解模糊。当前第1页1 2 3