一种部分稀疏L阵及其二维DOA估计方法技术

本发明专利技术公开了一种部分稀疏L阵及其二维DOA估计方法。本发明专利技术包括两个子阵构成L阵，第一子阵的阵元间距为半倍波长，第二子阵的阵元间距为n倍波长；并在第二子阵上设置一个距参考阵元的距离为半倍波长的辅助阵元。在进行DOA估计处理时，将子阵分别置于x轴和z轴，利用互相关矩阵不受噪声影响的特性，求接收数据的互相关并提取信号子空间；利用ULA的平移不变性和信号子空间，求取z轴阵列流型矩阵的旋转矩阵，并通过对旋转矩阵进行特征值分解，得到可能的俯仰角估计值，再基于辅助阵元对估计结果去模糊处理；再基于其进行信源波形的估计及x轴的阵列流型矩阵，求取相应的方位角。本发明专利技术用于雷达，声呐等，其实现低成本，低运算量，测向精度高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线移动通信
，特别是涉及一种利用线阵构造的部分稀疏L阵列及其二维波达方向(DOA)估计方法。
技术介绍
空分多址技术是继时分复用、频分复用和码分复用之后又一个可提高网络容量的关键技术，空分多址的关键在于精确地测量信号源方位和形成高定向波束，因此，以DOA估计和数字波束形成为核心的阵列信号处理技术越来越得到广大研究者的研究和关注。现有的DOA估计算法大多是基于传统满阵，即阵列中相邻阵元间距不大于入射信号半波长的天线阵列。但满阵由于阵元间距的限制，要增加阵列孔径，提升测向精度和分辨率就必须增加阵元数，造成系统过于复杂和系统成本增加。鉴于传统满阵存在的上述问题，人们提出了稀疏阵，即阵元间距大于半波长的均匀或非均匀阵列系统。和常规满阵相比，阵元数相同时它拥有更大的阵列孔径，减小了阵元间的互耦，改善了测向精度、测向分辨率和最大可处理信源数等性能；此外，阵列孔径相同时稀疏阵所需阵元数更少，这就意味着更小规模的接收系统和信号处理系统等，极大地降低了设备成本。目前基于稀疏阵列的DOA估计主要分为两大类：一类是基于稀疏线阵的一维DOA估计；另一类是基于由几个稀疏线阵组成的简化面阵的二维DOA估计。其中，基于简化面阵的二维DOA估计中，L阵由于有更大的有效孔径、更小的运算量、更易实现、更强的方法适用性等优点得到了广泛的关注和应用。但现有的L阵大多是由常规ULA(均匀线阵)构成，利用稀疏线阵构成的L阵还比较少，已有的基于稀疏线阵的L阵的表达式不够简洁，且在计算二维DOA时，要么需要配对算法，要么就是需要谱峰搜索等，不能充分利用稀疏阵列的优势。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于：针对上述存在的问题，提供一种构造简单，基于线阵的部分稀疏L阵及其能获得较好性能且计算简单的DOA估计方法。本专利技术的一种部分稀疏的L阵列，包括阵元数相同的线性第一子阵、第二子阵构成L字形的阵列，第一子阵和第二子阵的交点定义为参考阵元，其特征在于，所述第一子阵的阵元间距等于半倍波长，第二子阵的阵元间距等于n倍波长，其中整数n的取值范围为1～10；并在第二子阵上设置一个辅助阵元，所述辅助阵元距离参考阵元的距离为半倍波长。其中L阵列的第一子阵、第二子阵可分别放置于x轴和z轴，x轴对应方位角，z轴对应俯仰角；或者将L阵列的第一子阵、第二子阵分别放置于z轴和x轴，x轴对应方位角，z轴对应俯仰角。同时，本专利技术还公开了一种用于所述的L阵列的二维波大方向的估计方法，包括下列步骤：步骤1：将L阵列的第一子阵、第二子阵分别放置于x轴和z轴；步骤2：L阵列接收K个不相关信源的入射信号，得到x轴、z轴各阵元的接收数据，其中K小于第一子阵的陈元数M；步骤3：计算各入射信号的估计俯仰角；步骤301：计算接收数据z′(t)和x′(t)在N(N的取值为大于等于10的整数)次采样下的互相关矩阵Rz′x′，并从Rz′x′中任意提取K列构造信号子空间Uz，其中接收数据x′(t)为x轴上除参考阵元外的所有陈元的接收数据，接收数据z′(t)为z轴上除辅助阵元外的所有阵元的接收数据；将信号子空间Uz划分为上下两个(M-1)*K维的信号子空间Uz1和Uz2，基于Uz1和Uz2求取旋转矩阵Ωz，令矩阵矩阵Tz为K×K的非奇异矩阵；对矩阵Fz进行特征值分解，得到相应的K个特征值其中k＝1,2,…,K；步骤302：计算每个入射信号的两个备选估计俯仰角：根据计算K个第一备选估计俯仰角其中dz＝nλ，λ表示信号波长，符号angle(·)表示取相位角；根据公式计算估计空间相位差若则第二备选估计俯仰角否则步骤4：对每个入射信号的备选估计俯仰角去模糊角处理，得到估计俯仰角步骤401：计算接收数据z(t)在N次采样下的自相关矩阵Rzz，其中接收数据z(t)为z轴上所有阵元的接收数据；步骤402：对Rzz进行特征值分解：其中Us和Un分别为(M+1)×K和(M+1)×(M+1-K)维的信号子空间和噪声子空间；Σs为从Rzz的M+1个特征值中，取前K个最大特征值组成对角矩阵Σs，剩余的M+1-K个特征值组成对角矩阵Σn，符号(·)H表示矩阵共轭；步骤403：根据公式计算每个入射信号的备选估计俯仰角在z轴的导向矢量其中包括第一备选估计俯仰角和第二备选估计俯仰角为对应的估计空间相位差，其中e为自然常数，符号(·)T表示矩阵转置；将导向矢量与噪声子空间Un正交的备选估计俯仰角作为入射信号k的估计俯仰角k＝1,2,…,K；步骤5：基于K个估计俯仰角得到z轴的阵列流型矩阵根据接收数据z(t)、阵列流型矩阵计算估计信号源即其中符号(·)+表示M-P广义逆；步骤6：估计各入射信号的方位角计算接收数据Z″(t)和X(t)在N次采样下的互相关矩阵Rxz″，其中接收数据Z″(t)为z轴上除参考阵元的所有阵元的接收数据；接收数据X(t)为x轴上所有阵元的接收数据；根据公式计算x轴的阵列流型矩阵的估计值其中估计值为估计信号源在N次采样下的自相关矩阵；根据公式得到每个入射信号的方位角其中k＝1,2,…,K，表示矩阵的第k列的前M-1行元素的子向量，表示矩阵的第k列的后M-1行元素的子向量。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：可以实现低成本，低运算量，高测向精度的二维DOA估计，该方法可以应用于雷达，声呐及无线通信等领域，解决现有常规整理所不能解决的问题。附图说明图1是本专利技术提出的由稀疏ULA和常规ULA构造的部分稀疏L阵的阵列结构；图2是本专利技术所提部分稀疏L阵的z轴阵元配置；图3是利用本专利技术所提算法估计二维DOA的角度散布图；图4是本专利技术所提算法和现有的算法的性能随信噪比变化的对比图；图5是本专利技术所提算法和现有的算法的性能随采样快拍数变化的对比图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本专利技术作进一步地详细描述。本专利技术为了利用稀疏阵有更大的阵列孔径和均匀线阵的平移不变性，提出一种基于稀疏ULA和常规ULA的L阵结构，然后利用互相关矩阵不受噪声影响的特性，ULA的平移不变性，解模糊算法和LS(最小二乘法)技术求解二维DOA。本专利技术可用于雷达，声呐，无线通信等领域，为了更好地理解本专利技术，以下结合附图对本申请作进一步描述。步骤1：构建稀疏L阵：本实施方式中，设第一、二线阵的阵元个数均为M，将第一、二线阵的交点阵元定义为参考阵元，其中，第一子阵的陈元间距d1＝λ/2，即常规的ULA；第二子阵的陈元间距d2＝nλ，其中λ表示信号波长，本实施例中取n＝1，即稀疏ULA。参见图1，将第一子阵放置于x轴、第二子阵放置于z轴(疏ULA和常规ULA在坐标轴上的位置可以互换)，参考阵元所在位置定义为原点。且在第二子阵设置辅助阵元，其与原点处的参考阵元间距为d1。其中z轴的系数ULA用来估计俯仰角，x轴的常规ULA用来估计方位角。步骤2：构建系统模型，从而得到本专利技术的DOA估计的理论支持：设K个(K<M)个远场窄带不相关信号S(t)＝[s1(t),...,sK(t)]T从K个方向(θi,φi),i＝1,...,K入射到本专利技术的专利技术L阵上，参见图2，其x轴和z轴的阵列流型矩阵Az和Ax分别为：Ax＝[ax(φ1),...,ax(φK)]、Az＝[az(θ1),...,az(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种部分稀疏L阵列，包括阵元数相同的线性第一子阵、第二子阵构成L字形的阵列，第一子阵和第二子阵的交点定义为参考阵元，其特征在于，所述第一子阵的阵元间距等于半倍波长，第二子阵的阵元间距等于n倍波长，其中整数n的取值范围为1～10；并在第二子阵上设置一个辅助阵元，所述辅助阵元距离参考阵元的距离为半倍波长。

【技术特征摘要】
1.一种部分稀疏L阵列，包括阵元数相同的线性第一子阵、第二子阵构成L字形的阵列，第一子阵和第二子阵的交点定义为参考阵元，其特征在于，所述第一子阵的阵元间距等于半倍波长，第二子阵的阵元间距等于n倍波长，其中整数n的取值范围为1～10；并在第二子阵上设置一个辅助阵元，所述辅助阵元距离参考阵元的距离为半倍波长。2.如权利要求1所述的L阵列，将L阵列的第一子阵、第二子阵分别放置于x轴和z轴，x轴对应方位角，z轴对应俯仰角。3.如权利要求1所述的L阵列，将L阵列的第一子阵、第二子阵分别放置于z轴和x轴，x轴对应方位角，z轴对应俯仰角。4.一种用于权利要求1所述的L阵列的二维波大方向的估计方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤1：将L阵列的第一子阵、第二子阵分别放置于x轴和z轴；步骤2：L阵列接收K个不相关信源的入射信号，得到x轴、z轴各阵元的接收数据，其中K小于第一子阵的陈元数M；步骤3：计算各入射信号的估计俯仰角；步骤301：计算接收数据z′(t)和x′(t)在N次采样下的互相关矩阵Rz′x′，并从Rz′x′中任意提取K列构造信号子空间Uz，其中接收数据x′(t)为x轴上除参考阵元外的所有陈元的接收数据，接收数据z′(t)为z轴上除辅助阵元外的所有阵元的接收数据；将信号子空间Uz划分为上下两个(M-1)*K维的信号子空间Uz1和Uz2，基于Uz1和Uz2求取旋转矩阵Ωz，令矩阵矩阵Tz为K×K的非奇异矩阵；对矩阵Fz进行特征值分解，得到相应的K个特征值其中k＝1,2,…,K；步骤302：计算每个入射信号的两个备选估计俯仰角：根据计算K个第一备选估计俯仰角其中dz＝nλ，λ表示信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑植，杨雨轩，刘柯宏，闫波，杨海芬，林水生，葛琰，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51