基于平面陣的二維波達方向估計方法和估計器的制造方法
【專利摘要】本申請涉及一種基于平面陣的二維波達方向估計方法和估計器。二維波達方向估計方法包括：構建所述平面陣接收信號基于第一波達方向α和第二波達方向β的解耦模型F＝AL(α)G(β)+N，其中F為平面陣接收信號，AL(α)為與第一波達方向α相關的流形矩陣，G(β)為與第二波達方向β相關的信號矩陣，N為噪聲信號矩陣；在α域稀疏性前提下，對平面陣接收信號F進行α域稀疏重建，獲得α域稀疏信號的支撐集，以得到α估計值；以及在β域稀疏性前提下，對信號矩陣G(β)中與α估計值對應的行矢量進行β域稀疏重建，獲得β域稀疏信號的支撐集，以得到與所述α估計值對應的β估計值。本申請利用入射信號在α域和β域的空域稀疏性，依次估計α和β，大幅降低了計算復雜度。
【專利說明】基于平面陣的二維波達方向估計方法和估計器
【技術領域】
[0001]本申請涉及基于平面陣的二維波達方向估計方法和估計器。
【背景技術】
[0002]在電磁波信號或聲信號處理例如雷達、麥克風陣列等應用場景中，需要通過天線陣列分析接收到的多通道電磁信號或聲信號，從而估計入射信號的波達方向(Direction-of-arrival, D0A)。
[0003]現有的DOA估計方法一般基于一維波達方向DOA估計，可以分成如下四大類:波束形成類算法，子空間類算法，最大似然算法，以及基于稀疏信號重建(Sparse signalreconstruction, SSR)的方法。其中基于稀疏信號重建的方法對空間譜施加稀疏約束，把波達方向估計問題看成一個稀疏重建問題來求解，相對其他算法有著諸多優勢，例如更高的分辨率和對低快拍數、低信噪比、相干源入射等應用環境下具有更高的穩健性。
[0004]然而在實際應用中一般需要估計兩個到達角即需要解決二維波達方向估計問題。基于稀疏信號重建的方法在推廣至二維波達方向估計問題時，冗余字典的維數急劇上升從而計算復雜度劇烈增大，限制了基于稀疏信號重建的方法在實際場景中的應用。
【發明內容】
[0005]本申請的目的是提供基于平面陣的二維波達方向估計方法和估計器，能夠利用入射信號在α域和β域的空域稀疏性，依次估計α和β，大幅降低二維波達方向估計的計
算復雜度。
[0006]根據本申請的一個方面，公開了一種基于平面陣的二維波達方向估計方法，包括:
[0007]構建所述平面陣接收信號基于第一波達方向α和第二波達方向β的解耦模型F= \(a)G(i3)+N，其中F為平面陣接收信號，\(α)為與第一波達方向α相關的流形矩陣，G(i3)為與第二波達方向β相關的信號矩陣，N為噪聲信號矩陣；
[0008]在α域稀疏性前提下，對平面陣接收信號F進行α域稀疏重建，獲得α域稀疏信號的支撐集，以得到α估計值；以及
[0009]在β域稀疏性前提下，對信號矩陣G(i3)中與α估計值對應的行矢量進行β域稀疏重建，獲得β域稀疏信號的支撐集，以得到與所述α估計值對應的β估計值。
[0010]根據本申請的另一個方面，公開了一種基于平面陣的二維波達方向估計方法的優化方法，包括:
[0011]將α作為第一波達方向并將β作為第二波達方向，通過如前所述的二維波達方向估計方法，先獲得α估計值作為α第一估計值，后獲得與所述α第一估計值對應的β估計值作為β第一估計值；
[0012]將β作為第一波達方向并將α作為第二波達方向，通過如前所述的二維波達方向估計方法，先獲得β估計值作為β第二估計值，后獲得與所述β第二估計值對應的α估計值作為α第二估計值；以及
[0013]根據所獲得的α第一估計值、α第二估計值、β第一估計值和β第二估計值，優化平面陣的二維波達方向估計值(α，β)。
[0014]根據本申請的另一個方面，公開了一種二維波達方向估計器，包括:
[0015]天線平面陣，接收入射信號；
[0016]預處理模塊，對所述天線平面陣接收到的入射信號進行預處理，將接收到的入射
信號變頻至預定頻率；
[0017]模數轉換器，將來自信號預處理模塊的模擬信號轉換至數字信號；
[0018]二維波達方向估計模塊，接收來自模數轉換器的數字信號；構建所述數字信號基于第一波達方向α和第二波達方向β的解耦模型F = AJa )G(i3)+N，其中F為所述數字信號，AJa)為與第一波達方向α相關的流形矩陣，6(β)為與第二波達方向β相關的信號矩陣，N為噪聲信號矩陣；在α域稀疏性前提下，對所述數字信號F進行α域稀疏重建，獲得α域稀疏信號的支撐集，以得到α估計值；以及在β域稀疏性前提下，對信號矩陣G(i3)中與α估計值對應的行矢量進行β域稀疏重建，獲得β域稀疏信號的支撐集，以得到與所述α估計值對應的β估計值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1a和Ib示出了平面陣中二維波達方向表示的示意圖。
[0020]圖2示出了根據本申請的一種實施方式的基于平面陣的二維波達方向估計方法的流程圖。
[0021]圖3a_3b示出了根據本申請的一種實施方式的第一波達方向估計和第二波達方向估計的示意圖。
[0022]圖4a_4c是根據本申請的一種實施方式的基于平面陣的二維波達方向估計方法的優化方法的示意圖。
[0023]圖5是根據本申請的一種實施方式的二維波達方向估計器。
【具體實施方式】
[0024]下面參照附圖對本申請公開的基于平面陣的二維波達方向估計方法進行詳細說明。為簡明起見，本申請各實施例的說明中，相同或類似的裝置使用了相同或相似的附圖標記。
[0025]天線陣列配置
[0026]考慮一個由MX W個天線陣元組成的平面矩形陣。位于第m行第w列(1≤m≤M，1≤ w≤ W)的陣元在二維平面上的坐標(x?，y?)滿足
【權利要求】
1.一種基于平面陣的二維波達方向估計方法，包括: 構建所述平面陣接收信號基于第一波達方向α和第二波達方向β的解耦模型F =\(a)G(i3)+N，其中F為平面陣接收信號，\(α)為與第一波達方向α相關的流形矩陣，6(β)為與第二波達方向β相關的信號矩陣，N為噪聲信號矩陣； 在α域稀疏性前提下，對平面陣接收信號F進行α域稀疏重建，獲得α域稀疏信號的支撐集，以得到α估計值；以及 在β域稀疏性前提下，對信號矩陣G(i3)中與α估計值對應的行矢量進行β域稀疏重建，獲得β域稀疏信號的支撐集，以得到與所述α估計值對應的β估計值。
2.如權利要求1所述的估計方法，其中，通過以下方式對平面陣接收信號F進行α域稀疏重建:
3.如權利要求2所述的估計方法，其中，所述獲得a域稀疏信號的支撐集的步驟包括:限制a域重建信號誤差小于第一預設門限，且最小化信號矩陣的P范數(O≤ρ<1)，以獲得a域稀疏信號的支撐集。
4.如權利要求3所述的估計方法，進一步包括:通過以下方式限制a域重建信號誤差小于第一預設門限，且最小化信號矩陣6(0)的P范數:
5.如權利要求4所述的估計方法，其中，所述第一預設門限CT12根據平面陣接收信號中的噪聲信號分布確定。
6.如權利要求4所述的估計方法，其中，當所述平面陣中存在無效陣元時，所述a域重建信號誤差是去除了無效陣元對應位置的數據的重建信號誤差。
7.如權利要求1-6中任一項所述的估計方法，其中，所述對信號矩陣G(i3)中與α估計值對應的行矢量進行β域稀疏重建的步驟包括: 確定與α估計值中的每一個估計值A所對應的信號矩陣G(i3)中的行矢量
8.如權利要求7所述的估計方法，其中，所述獲得β域稀疏信號的支撐集，以得到與所述α估計值對應的β估計值的步驟包括:對于α估計值中的每一個估計值電所對應的矩陣形式A的β域稀疏重建公
9.如權利要求8所述的估計方法，進一步包括:通過以下方式限制β域重建信號誤差小于第二預設門限，且最小化β域稀疏信號矩陣的P范數:
10.如權利要求9所述的估計方法，其中，所述第二預設門限σ|根據根據平面陣中與第二波達方向β相關的線性子陣上的背景噪聲信號分布確定。
11.一種基于平面陣的二維波達方向估計方法的優化方法，包括: 將α作為第一波達方向并將β作為第二波達方向，通過如前述任一權利要求所述的估計方法，先獲得α估計值作為α第一估計值，后獲得與所述α第一估計值對應的β估計值作為β第一估計值； 將β作為第一波達方向并將α作為第二波達方向，通過如前述任一權利要求所述的估計方法，先獲得β估計值作為β第二估計值，后獲得與所述β第二估計值對應的α估計值作為α第二估計值；以及 根據所獲得的α第一估計值、α第二估計值、β第一估計值和β第二估計值，優化平面陣的二維波達方向估計值(α，β)。
12.—種二維波達方向估計器，包括: 天線平面陣，接收入射信號； 預處理模塊，對所述天線平面陣接收到的入射信號進行預處理，將接收到的入射信號變頻至預定頻率； 模數轉換器，將來自信號預處理模塊的模擬信號轉換至數字信號； 二維波達方向估計模塊，接收來自模數轉換器的數字信號；構建所述數字信號基于第一波達方向α和第二波達方向β的解耦模型F = \(a)G(i3)+N，其中F為所述數字信號，AL(a)為與第一波達方向a相關的流形矩陣，6(β)為與第二波達方向β相關的信號矩陣，N為噪聲信號矩陣；在a域稀疏性前提下，對所述數字信號F進行a域稀疏重建，獲得a域稀疏信號的支撐集，以得到a估計值；以及在β域稀疏性前提下，對信號矩陣G(i3)中與a估計值對應的行矢量進行β域稀疏重建，獲得β域稀疏信號的支撐集，以得到與所述a估計值對應的β估計值。
【文檔編號】G01S3/14GK104007414SQ201410177940
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年4月29日 優先權日:2014年4月29日
【發明者】汪灃, 崔曉偉, 陸明泉 申請人:清華大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
