基于root‑MUSIC算法的目标波达方向获取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于root‑MUSIC算法的目标波达方向获取方法，思路为：确定雷达包含N个阵元，并确定雷达检测范围内的波束形成矩阵B，所述雷达检测范围内的波束形成矩阵B中包含N

【技术实现步骤摘要】
基于root-MUSIC算法的目标波达方向获取方法
本专利技术属于雷达
，特别涉及一种基于root-MUSIC算法的目标波达方向获取方法，即基于求根的多重信号分类(root-MUSIC)算法的目标波达方向获取方法，适用于确定任意波束的目标波达方向。
技术介绍
目标的波达方向DOA估计在阵列信号处理中具有重要的意义，在过去的近40年里，人们提出了一系列的目标的波达方向DOA估计算法；其中，MUSIC算法由于其自身的高分辨能力得到了广泛的应用。然而，传统的MUSIC算法实现需要在整个角度范围内进行一维或多维搜索，计算量很大。为了降低计算量，人们提出了root-MUSIC算法，然而它的计算量是阵元数的三次方，并且阵元数的增加会带来更大的计算量；与此同时，考虑到传统的波束空间处理的优势，如计算量低，分辨目标需要的SNR低，人们提出了波束空间MUSIC算法，研究表明，波束空间MUSIC算法在波束形成共同的带外零点特性时，如波束形成矩阵为离散傅里叶变换DFT矩阵的情况，波束空间root-MUSIC算法的实现的计算量仅为波束数的三次方，共同的带外零点特性通常是不现实的。
技术实现思路
针对传统的波束空间root-MUSIC算法计算量大，且对波束形成矩阵有限制的问题，本专利技术的目的在于提出一种基于root-MUSIC算法的目标波达方向获取方法，该种基于root-MUSIC算法的目标波达方向获取方法利用多窗低阶实多项式求根来实现波束空间root-MUSIC，相比传统算法计算量更低，估计的结果更稳定，且可适用于任意波束形成矩阵中目标波达方向的确定。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案予以实现。一种基于root-MUSIC算法的目标波达方向获取方法，包括以下步骤：；步骤1，确定雷达，所述雷达包含N个阵元，并确定雷达检测范围内的波束形成矩阵B，所述雷达检测范围内的波束形成矩阵B中包含Ns个目标信号；然后确定雷达检测范围内的波束形成矩阵的空间频谱区域范围，并将所述空间频谱区域范围以间隔ε均匀划分为M个空间频谱区域，并顺序排列，其中M＝2Nb-1，Nb表示波束形成矩阵B包含的波束个数，N、Nb、M、ε分别为大于0的整数；步骤2，选取顺序排列后M个空间频谱区域中的第1个空间频谱区域，并计算得到第1个空间频谱区域的窗矢量矩阵T，进而计算得到第1个空间频谱区域的窗矢量矩阵估计步骤3，确定雷达接收到的回波数据为X，然后计算得到雷达回波数据的采样协方差矩阵估计对雷达回波数据的采样协方差矩阵估计进行特征分解，并计算得到雷达回波数据的采样协方差矩阵估计的噪声子空间矩阵步骤4，利用雷达检测范围内的波束形成矩阵B和雷达回波数据的采样协方差矩阵估计的噪声子空间矩阵计算得到雷达检测范围内的波束形成矩阵的噪声协方差矩阵V；步骤5，将雷达检测范围内的波束形成矩阵的噪声协方差矩阵V中包含的所有的对角元素构造列矢量v；步骤6，确定M个空间频谱区域的变换矩阵W，并根据列矢量v和第1个空间频谱区域的窗矢量矩阵估计计算得到中间矩阵D；然后，利用M个空间频谱区域的变换矩阵W对中间矩阵D进行变换，得到M个空间频谱区域对应的M组低阶实多项式系数；步骤7，根据M个空间频谱区域对应的M组低阶实多项式系数，对应得到M个方程，其中第m个方程为fl-1为第l-1次幂的自变量，f0＝1，γml为第m组低阶实多项式系数中的第l阶系数，求解第m个方程后得到L个共轭根，每个共轭根包含实部和虚部，然后在L个共轭根中选择虚部满足设定要求的N's个共轭根，所述设定要求为虚部模值小于10-6的共轭根，该N's个共轭根各自对应的实部，分别对应为雷达检测范围内的波束形成矩阵B内Ns个目标信号各自空间角度的正弦值，并且所述Ns个目标信号各自角度的正弦值，分别对应为雷达检测范围内的波束形成矩阵B内Ns个目标信号各自的波达方向；其中，雷达检测范围内的波束形成矩阵B中包含的目标信号个数与L个共轭根中虚部满足设定要求的共轭根个数相等且一一对应。本专利技术具有以下优点：第一，本专利技术将高阶多项式分解为多组低阶多项式，通过低阶实多项式求根来降低计算复杂度，提高实时处理能力；另外，相比传统的root-MUSIC仅适用于DFT波束形成矩阵的情况，本专利技术方法能够适用于任意波束。第二，本专利技术方法利用多窗实多项式求根来降低波束空间root-MUSIC算法的复杂度，并针对传统的波束空间root-MUSIC算法在大阵列情况下的计算量问题，将高阶多项式分解为多组低阶多项式，通过低阶实多项式求根来降低计算复杂度，提高实时处理能力。第三，相比传统的root-MUSIC在实际操作中通常需要利用加窗等锥削方法来降低旁瓣，进而抑制干扰，因此传统的root-MUSIC仅适用于DFT波束形成矩阵；相比传统的root-MUSIC，本专利技术方法考虑到在小角度区域内(如-3dB波束宽度内)导向矢量的相关性，该小角度区域内任意导向矢量可以利用其对应空间频率的低阶实多项式来近似，使得本专利技术方法能够利用多组低阶实多项式求根来实现，相比传统算法计算量更低，估计的结果更稳定，且可适用于任意波束形成矩阵。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。图1是本专利技术的一种基于root-MUSIC算法的目标波达方向获取方法流程图；图2是不同阶数下导向矢量近似误差图；图3是理想情况下多种算法估计目标角度RMSE对比图；图4是锥削情况下多种算法估计目标角度RMSE对比图。具体实施方式参照图1，为本专利技术的一种基于root-MUSIC算法的目标波达方向获取方法流程图；所述基于root-MUSIC算法的目标波达方向获取方法，包括以下步骤：步骤1，确定雷达，所述雷达包含N个阵元，并确定雷达检测范围内的波束形成矩阵B，所述雷达检测范围内的波束形成矩阵B中包含Ns个目标信号，下标s代表信号signal，且所述雷达检测范围内的波束形成矩阵B包含N'b个列矢量，其中每一个列矢量都是为了将雷达中对应波束指向的空间角度而设置的权值矢量，表示N×Nb阶的复数域矩阵，∈表示属于，Nb表示波束形成矩阵B包含的波束个数，下标b代表波束beam；N≥Nb≥Ns。然后确定雷达检测范围内的波束形成矩阵的空间频谱区域范围为[-Nb/NNb/N]，并将该空间频谱区域范围[-Nb/NNb/N]以间隔ε均匀划分为M个空间频谱区域，并顺序排列，其中M＝2Nb-1，N、Nb、Ns、M、ε分别为大于0的整数。步骤2，选取顺序排列后M个空间频谱区域中的第1个空间频谱区域，并利用最小二乘方法计算得到第1个空间频谱区域的窗矢量矩阵T，T＝[t1,t2,…tL+1]，T∈C(2N-1)×(L+1)，C(2N-1)×(L+1)表示(2N-1)×(L+1)阶的复数域矩阵，L表示设定的多项式最高阶数，L≥3；进而计算得到第1个空间频谱区域的窗矢量矩阵估计步骤2的具体实现子步骤如下：2.1选取顺序排列后M个空间频谱区域中的第1个空间频谱区域，所述第1个空间频谱区域包含若干个频点，选取其中Q个频点，并分别将第q个频点的频率记为fq，将第q个频点的频率对应的扩展导向矢量记为上标T表示转置，N表示雷达包含的阵元个数，e表示指数函数。2.2利用最小二乘法计算得到第q个频点的频率对应的扩展导向矢量的低阶实多项式近似，即T∈C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于root‑MUSIC算法的目标波达方向获取方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定雷达，所述雷达包含N个阵元，并确定雷达检测范围内的波束形成矩阵B，所述雷达检测范围内的波束形成矩阵B中包含N

【技术特征摘要】
1.一种基于root-MUSIC算法的目标波达方向获取方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定雷达，所述雷达包含N个阵元，并确定雷达检测范围内的波束形成矩阵B，所述雷达检测范围内的波束形成矩阵B中包含Ns个目标信号；然后确定雷达检测范围内的波束形成矩阵的空间频谱区域范围，并将所述空间频谱区域范围以间隔ε均匀划分为M个空间频谱区域，并顺序排列，其中M＝2Nb-1，Nb表示波束形成矩阵B包含的波束个数，N、Nb、M、ε分别为大于0的整数；步骤2，选取顺序排列后M个空间频谱区域中的第1个空间频谱区域，并计算得到第1个空间频谱区域的窗矢量矩阵T，进而计算得到第1个空间频谱区域的窗矢量矩阵估计步骤3，确定雷达接收到的回波数据为X，然后计算得到雷达回波数据的采样协方差矩阵估计对雷达回波数据的采样协方差矩阵估计进行特征分解，并计算得到雷达回波数据的采样协方差矩阵估计的噪声子空间矩阵步骤4，利用雷达检测范围内的波束形成矩阵B和雷达回波数据的采样协方差矩阵估计的噪声子空间矩阵计算得到雷达检测范围内的波束形成矩阵的噪声协方差矩阵V；步骤5，将雷达检测范围内的波束形成矩阵的噪声协方差矩阵V中包含的所有的对角元素构造列矢量v；步骤6，确定M个空间频谱区域的变换矩阵W，并根据列矢量v和第1个空间频谱区域的窗矢量矩阵估计计算得到中间矩阵D；然后，利用M个空间频谱区域的变换矩阵W对中间矩阵D进行变换，得到M个空间频谱区域对应的M组低阶实多项式系数；步骤7，根据M个空间频谱区域对应的M组低阶实多项式系数，对应得到M个方程，其中第m个方程为fl-1为第l-1次幂的自变量，f0＝1，γml为第m组低阶实多项式系数中的第l阶系数，求解第m个方程后得到L个共轭根，每个共轭根包含实部和虚部，然后在L个共轭根中选择虚部满足设定要求的N's个共轭根，所述设定要求为虚部模值小于10-6的共轭根，该N's个共轭根各自对应的实部，分别对应为雷达检测范围内的波束形成矩阵B内Ns个目标信号各自角度的正弦值，并且所述Ns个目标信号各自空间角度的正弦值，分别对应为雷达检测范围内的波束形成矩阵B内Ns个目标信号各自的波达方向；其中，雷达检测范围内的波束形成矩阵B中包含的目标信号个数与L个共轭根中虚部满足设定要求的共轭根个数相等且一一对应。2.如权利要求1所述的一种基于root-MUSIC算法的目标波达方向获取方法，其特征在于，在步骤1中，所述雷达检测范围内的波束形成矩阵B，表示N×Nb阶的复数域矩阵，∈表示属于，Nb表示波束形成矩阵B包含的波束个数；N≥Nb≥Ns；所述雷达检测范围内的波束形成矩阵的空间频谱区域范围为[-Nb/NNb/N]，并将该空间频谱区域范围[-Nb/NNb/N]以间隔ε均匀划分为M个空间频谱区域，M＝2Nb-1，N、Nb、Ns、M、ε分别为大于0的整数。3.如权利要求1所述的一种基于root-MUSIC算法的目标波达方向获取方法，其特征在于，步骤2的子步骤为：2.1选取顺序排列后M个空间频谱区域中的第1个空间频谱区域，所述第1个空间频谱区域包含若干个频点，选取其中Q个频点，并分别将第q个频点的频率记为fq，将第q个频点的频率对应的扩展导向矢量记为上标T表示转置，N表示雷达包含的阵元个数，e表示指数函数；2.2利用最小二乘法计算得到第q个频点的频率对应的扩展导向矢量的低阶实多项式近似，即T∈C(2N-1)×(L+1)，C(2N-1)×(L+1)表示(2N-1)×(L+1)阶的复数域矩阵，T为第1个空间频谱区域的窗矢量矩阵，ζ(fq)为第q个频点的频率对应的扩展导向矢量的低阶实多项式的近似误差，fq为第q个频点的频率对应的扩展导向矢量的L阶多项式矢量，L表示设定的多项式最高阶数，L≥3，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王彤，夏月明，王娟，吴建新，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61