相干信號源亞分辨率超分辨到達角估計方法
【專利摘要】本發明屬于相干信號源到達角估計【技術領域】，特別涉及相干信號源亞分辨率超分辨到達角估計方法。該相干信號源亞分辨率超分辨到達角估計方法包括以下步驟：利用雷達的接收陣列接收相干信號源的回波信號Y，所述雷達的接收陣列為具有M個陣元的均勻線陣；M>K，K為回波信號Y對應的相干信號源的個數；建立關于回波信號Y的信號模型，所述關于回波信號Y的信號模型包括兩個待求解的矩陣：方向矩陣D和信號稀疏矩陣S；由關于回波信號Y的信號模型，建立關于方向矩陣D和信號稀疏矩陣S的代價函數；求解步驟S4中的代價函數，得出方向矩陣D和信號稀疏矩陣S；根據方向矩陣D中主對角線上的非零元素、以及每個相干信號源的到達角的初始估計值，得出各個相干信號源的到達角。
【專利說明】相干信號源亞分辨率超分辨到達角估計方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于相干信號源到達角估計【技術領域】，特別涉及相干信號源亞分辨率超分辨到達角估計方法，能夠在低信噪比低快拍相干源的到達角估計中提高小于分辨率的到達角的估計精度。
【背景技術】
[0002]空間信號的到達角估計與時間信號的頻率估計十分相似。在理論上，他們均可表述為基本的非線性參數問題。因此，時域非線性信號處理技術在空域處理上的推廣曾成為熱點問題，許多時域非線性譜估計方法推廣成為空域譜估計方法，于是便產生了所謂的高分辨譜估計技術，即超分辨到達角估計技術，它能突破并進一步改善一個波束寬度內的空間不同來向的分辨能力。然而在實際工程運用中，例如在米波雷達低仰角估計時，就遇到在低快拍，低信噪比和相干信源的情形下對仰角估計的問題。
[0003]在實際中提出了很多關于求解到達角的方法，如多重信號分類(MUSIC)，旋轉不變子空間(ESPRIT)等方法，但對于相干信號源的到達角估計，相干信號源信號子空間與噪聲子空間相互滲透，故不能對相干信號源進行有效分辨或測向。當前對相干信號源的處理方法，如空間平滑技術，其對相干信號源到達角估計有理想的效果，但它通過犧牲有效陣元數來換取的，對陣列孔徑有一定的損失，且在低信噪比時此方法的性能較差；Toeplitz技術，具有估計的到達角偏差較大的缺點。因此，相干信號源的估計問題始終是一個十分棘手的問題，它也始終是空間譜估計中研究的熱點問題。
[0004]對于低快拍的問題，通常的到達角估計是基于理想情況下進行的，但在工程應用場合中各種各樣的誤差不可避免，因此，當實際模型與假設模型不符合時，通常會出現有限數據長度快拍的問題，許多基于理想模型基礎上的到達角方法的性能將嚴重下降。有限數據長度快拍對模型的影響在于，當快拍數小時，信號與噪聲沒有足夠的時間解相關，噪聲協方差矩陣也沒有收斂，只有當快拍數大或信噪比高時，有限數據長度的影響才可以忽略。如何消除這些誤差的影響，使估計到達角方法在應用中具有較強的穩健性是到達角方法實用化的一個關鍵環節。
[0005]亞分辨率問題，這個問題描述為當使用搜索算法來求解到達角時，如果一味地對細化搜索間隔，就會造成運量大的問題；而當把搜索間隔變粗時，又會造成到達角估計的不精確，亞分辨率問題就是當實際的到達角在兩次相鄰搜索樣點之間時，再不增加運算量的前提下，求出真實的到達角，就是亞分辨率問題。
[0006]一類基于稀疏信號重構的方法被提出，這類方法快速的被應用到到達角估計的問題上，在低信噪比和快拍數較少的環境下提供了一種有效的解決方法。該算法在低快拍下更具有優勢，該算法隨著快拍數的增多可以提高估計效果，此外建立模型時并未要求信號源是相互獨立的，因此對空域信號的相關性不敏感，可以直接用于相干信號的到達角估計，且具有更高的角度分辨力。但當實際的到達角在兩次相鄰搜索樣點之間時，此時需要解決到達角的亞分辨率的問題。這樣一個問題，有學者提出了一種基于稀疏貝葉斯表示(SBI)的亞分辨率到達角估計的方法，該方法能夠有效、準確的估計當到達角在兩次相鄰搜索樣點之間的到達角，但這個方法需較高的信噪比，且其運算量也較大。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于針對稀疏貝葉斯表示(SBI)的亞分辨率到達角估計技術的不足，提出相干信號源亞分辨率超分辨到達角估計方法，在低信噪比、低快拍情況下，就能夠很好的解決亞分辨率的相干源到達角估計問題。
[0008]為實現上述技術目的，本發明采用如下技術方案予以實現。
[0009]相干信號源亞分辨率超分辨到達角估計方法包括以下步驟:
[0010]S1:利用雷達的接收陣列接收相干信號源的回波信號Y，所述雷達的接收陣列為具有M個陣元的均勻線陣；M>K，K為回波信號Y對應的相干信號源的個數；
[0011]S2:建立關于回波信號Y的信號模型，所述關于回波信號Y的信號模型包括兩個待求解的矩陣:方向矩陣D和信號稀疏矩陣S ；
[0012]S3:由關于回波信號Y的信號模型，建立關于方向矩陣D和信號稀疏矩陣S的代價函數；
[0013]S4:求解步驟S4中的代價函數，得出方向矩陣D和信號稀疏矩陣S ；
[0014]S5:根據方向矩陣D中主對角線上的非零元素，得出各個相干信號源的到達角。
[0015]本發明的特點和進一步改進在于:
[0016]所述步驟S2具體包括以下步驟:
[0017]設落在雷達搜索樣點上的采樣到達角共有N個，N>M;將落在雷達搜索樣點上的第η個采樣到達角表示為，則將落在雷達搜索樣點上的所有N個采樣到達角表示為集合
【權利要求】
1.相干信號源亞分辨率超分辨到達角估計方法，其特征在于，包括以下步驟: 51:利用雷達的接收陣列接收相干信號源的回波信號Y，所述雷達的接收陣列為具有M個陣元的均勻線陣；M>K，K為回波信號Y對應的相干信號源的個數； 52:建立關于回波信號Y的信號模型，所述關于回波信號Y的信號模型包括兩個待求解的矩陣:方向矩陣D和信號稀疏矩陣S ；53:由關于回波信號Y的信號模型，建立關于方向矩陣D和信號稀疏矩陣S的代價函數； 54:求解步驟S4中的代價函數，得出方向矩陣D和信號稀疏矩陣S ； 55:根據方向矩陣D中主對角線上的非零元素，得出各個相干信號源的到達角。
2.如權利要求1所述的相干信號源亞分辨率超分辨到達角估計方法，其特征在于，所述步驟S2具體包括以下步驟: 設落在雷達搜索樣點上的采樣到達角共有N個，N>M ;將落在雷達搜索樣點上的第η個采樣到達角表示為~φη，則將落在雷達搜索樣點上的所有N個采樣到達角表示為集合^，φ 二 {φ1,...,φn,...,φΝ}，η 取 I 至 N ; 當雷達的接收陣列的陣元個數M為偶數時，
3.如權利要求2所述的相干信號源亞分辨率超分辨到達角估計方法，其特征在于，所述步驟S3具體包括以下步驟: 將回波信號Y中K個最大的奇異值對應的左特征向量按列排列，形成左信號矩陣Us;設立K階對角矩陣Λ s,回波信號Y的K個最大的奇異值按照從大到小的順序依次排列在對角矩陣As的主對角線上；令
4.如權利要求3所述的相干信號源亞分辨率超分辨到達角估計方法，其特征在于，所述步驟S4具體包括以下步驟: 541:將方向矩陣D的初始取值設置為D(O);設置迭代參數i，i=l, 2，3...;當i=l時，執行步驟S42 ； 542:令
5.如權利要求4所述的相干信號源亞分辨率超分辨到達角估計方法，其特征在于，在步驟S44中，根據以下公式得出方向矩陣D的第i次迭代取值D(i):
6.如權利要求4所述的相干信號源亞分辨率超分辨到達角估計方法，其特征在于，在步驟S44中，根據以下公式得出方向矩陣D的第i次迭代取值D(i):
D(i)=diag(d(i))
7.如權利要求2所述的相干信號源亞分辨率超分辨到達角估計方法，其特征在于，所述步驟S5具體包括以下步驟:方向矩陣D中主對角線上的非零元素共有K個，將方向矩陣D中主對角線上的非零元素篩選出來，方向矩陣D中主對角線上的第k個非零元素表示為Dk，k取I至K ;Dk是方向矩陣D中主對角線上的第k’個元素，1≤k’≤N;則根據以下公式求解得出第k個相干信號源的到達角θ k: Dk = θk - φk'。
【文檔編號】G01S3/46GK103901396SQ201410126617
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月31日 優先權日:2014年3月31日
【發明者】陳伯孝, 楊明磊, 趙善軍, 雷文英 申請人:西安電子科技大學
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