L型陣列的二維到達(dá)角估計(jì)方法技術(shù)

L型陣列的二維到達(dá)角估計(jì)方法，由接收陣列的N次快拍數(shù)據(jù)矩陣構(gòu)造x軸和y軸的觀測(cè)數(shù)據(jù)矢量；構(gòu)造x軸方向的測(cè)量矩陣和y軸方向的測(cè)量矩陣以及對(duì)應(yīng)的稀疏信號(hào)矢量；利用最小絕對(duì)收縮和選擇算法計(jì)算x軸的方向余弦矩陣估計(jì)值和y軸的方向余弦矩陣估計(jì)值；利用參考陣元對(duì)x軸方向的方向余弦估計(jì)值和y軸方向的方向余弦估計(jì)值進(jìn)行配對(duì)；利用配對(duì)好的x軸方向的方向余弦估計(jì)值和y軸方向的方向余弦估計(jì)值計(jì)算信號(hào)的二維到達(dá)角。本發(fā)明專利技術(shù)利用最小絕對(duì)收縮和選擇算法得到信號(hào)矢量的粗略估計(jì)值，利用功率進(jìn)行信號(hào)參數(shù)配對(duì)，可以提高信號(hào)到達(dá)角和功率的估計(jì)精度。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
L型陣列的二維到達(dá)角估計(jì)方法
本專利技術(shù)屬于信號(hào)處理
，尤其涉及一種L型陣列信號(hào)到達(dá)角的估計(jì)方法。
技術(shù)介紹
信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)是信號(hào)處理的重要研究內(nèi)容之一，輻射源的方向是輻射源相互區(qū)分、信號(hào)分選與識(shí)別、引導(dǎo)干擾方向以及無源定位跟蹤的重要依據(jù)。信號(hào)的二維到達(dá)角(DOA)估計(jì)更有實(shí)際意義，現(xiàn)有的二維MUSIC算法計(jì)算到達(dá)角是一維MUSIC算法應(yīng)用到二維陣列的直接推廣，但是該算法需要二維譜峰搜索，運(yùn)算量巨大，難以得到實(shí)際應(yīng)用。近年來基于角度空間稀疏的壓縮感知的信號(hào)到達(dá)角估計(jì)方法，開創(chuàng)了一種全新的信號(hào)采樣方式，但現(xiàn)有的基于壓縮感知理論的信號(hào)到達(dá)角估計(jì)方法，主要是基于一維等距線陣的一維到達(dá)角估計(jì)，如何進(jìn)行二維到達(dá)角估計(jì)，鮮見研究報(bào)道。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種基于L型陣列的信號(hào)二維到達(dá)角的估計(jì)方法，利用功率進(jìn)行信號(hào)參數(shù)配對(duì)，可以提高信號(hào)到達(dá)角和功率的估計(jì)精度。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采取如下的技術(shù)解決方案：L型陣列的二維到達(dá)角估計(jì)方法，所述L型陣列由分別均勻間隔放置于x軸、y軸上的陣元以及一位于坐標(biāo)軸外的參考陣元組成，x軸上設(shè)置了M個(gè)陣元，y軸上設(shè)置了M個(gè)陣元，位于坐標(biāo)原點(diǎn)的陣元兩軸共用；K個(gè)入射信號(hào)以不同參數(shù){(θ1，φ1)，...，(θk，φk)，...，(θK，φK)}入射到陣列上，θk為第k個(gè)入射信號(hào)的俯仰角，φk為第k個(gè)入射信號(hào)的方位角，k＝1，...，K，所述方法步驟如下：步驟一：由接收陣列的N次快拍數(shù)據(jù)矩陣分別構(gòu)造x軸的觀測(cè)數(shù)據(jù)矢量Zx和y軸的觀測(cè)數(shù)據(jù)矢量Zy：其中，X為x軸上陣元的接收數(shù)據(jù)，Y為y軸上陣元的接收數(shù)據(jù)，N為快拍數(shù)，x1為坐標(biāo)原點(diǎn)處的陣元的接收數(shù)據(jù)，Rs是信號(hào)相關(guān)函數(shù)矩陣，Ax為x軸子陣的陣列導(dǎo)向矢量，Ay為y軸子陣的陣列導(dǎo)向矢量；步驟二：構(gòu)造x軸方向的測(cè)量矩陣Fx和y軸方向的測(cè)量矩陣Fy以及對(duì)應(yīng)的稀疏信號(hào)矢量hx和hy；將x軸方向的待測(cè)方向余弦均分為L1份，則x軸的方向余弦矩陣l1＝1，...，L1，利用均分為L1份的x軸的方向余弦矩陣U構(gòu)建x軸方向的觀測(cè)矩陣式中的j為虛數(shù)單位，λ為入射信號(hào)的波長，dx為x軸上的相鄰陣元間的間距，為x軸方向的第l1個(gè)潛在的輻射源信號(hào)的方向余弦值，M為陣元數(shù)，與x軸方向的觀測(cè)矩陣Fx對(duì)應(yīng)的稀疏信號(hào)矢量hx＝[hx(1)，...，hx(l1)，...，hx(L1)]T，hx(l1)為x軸方向第l1個(gè)潛在的輻射源信號(hào)的功率，x軸的觀測(cè)數(shù)據(jù)矢量Zx可表示為Zx＝Fxhx；將y軸方向的待測(cè)方向余弦均分為L2份，則y軸的方向余弦矩陣l2＝1，...，L2，利用均分為L2份的y軸的方向余弦矩陣V構(gòu)建y軸方向的觀測(cè)矩陣式中的dy為y軸上的相鄰陣元間的間距，為y軸方向的第l2個(gè)潛在的輻射源信號(hào)的方向余弦值，與y軸方向的觀測(cè)矩陣Fy對(duì)應(yīng)的稀疏信號(hào)矢量為hy＝[hy(1)，...，hy(l2)，...，hy(L2)]T，hy(l2)為y軸方向第l2個(gè)潛在的輻射源信號(hào)的功率，y軸的觀測(cè)數(shù)據(jù)矢量Zy可表示為Zy＝Fyhy；步驟三、計(jì)算x軸的方向余弦矩陣估計(jì)值和y軸的方向余弦矩陣估計(jì)值利用最小絕對(duì)收縮和選擇算法計(jì)算稀疏信號(hào)矢量的粗略估計(jì)值和其中，Zx為x軸的觀測(cè)數(shù)據(jù)矢量，Zy為y軸的觀測(cè)數(shù)據(jù)矢量，F(xiàn)x為x軸方向的觀測(cè)矩陣，F(xiàn)y為y軸方向的觀測(cè)矩陣，hx為與Fx對(duì)應(yīng)的稀疏信號(hào)矢量，hy為與Fy對(duì)應(yīng)的稀疏信號(hào)矢量，q1和q2是正則化參數(shù)，||·||2表示2范數(shù)，||·||1表示1范數(shù)；根據(jù)稀疏信號(hào)矢量的粗略估計(jì)值設(shè)置門限Δ1和Δ2：0＜Δ1＜hxm，0＜Δ2＜hym，其中，max(·)表示取最大值；對(duì)小于門限的信號(hào)系數(shù)進(jìn)行第二次約束：利用加權(quán)最小絕對(duì)收縮和選擇算法計(jì)算稀疏信號(hào)矢量的精確估計(jì)值和根據(jù)中非零元素的位置與觀測(cè)矩陣Fx列數(shù)據(jù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到存在信號(hào)的x軸的方向余弦矩陣估計(jì)值為估計(jì)得到的第l個(gè)信號(hào)x軸方向的方向余弦估計(jì)值，根據(jù)中非零元素的位置與觀測(cè)矩陣Fy列數(shù)據(jù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到存在信號(hào)的y軸的方向余弦矩陣估計(jì)值為估計(jì)得到的第l個(gè)信號(hào)y軸方向的方向余弦估計(jì)值，l＝1，...，K；步驟四、利用參考陣元對(duì)x軸方向的方向余弦估計(jì)值和y軸方向的方向余弦估計(jì)值進(jìn)行配對(duì)；利用參考陣元的接收數(shù)據(jù)Z進(jìn)行配對(duì)，(Δx，Δy)為參考陣元的位置坐標(biāo)，對(duì)于步驟三中得到中的每一個(gè)x軸方向的方向余弦估計(jì)值從中找出滿足條件的y軸方向的方向余弦估計(jì)值即達(dá)到參數(shù)正確的匹配；步驟五、利用配對(duì)好的x軸方向的方向余弦估計(jì)值和y軸方向的方向余弦估計(jì)值計(jì)算信號(hào)的二維到達(dá)角本專利技術(shù)利用坐標(biāo)原點(diǎn)的陣元對(duì)x軸和y軸的兩組采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)抗噪處理，得到陣列的觀測(cè)數(shù)據(jù)矢量，利用最小絕對(duì)收縮和選擇算法得到信號(hào)矢量的粗略估計(jì)值，通過二次加權(quán)約束得到精確的稀疏信號(hào)矩陣，并由此得到x軸和y軸方向的方向余弦的估計(jì)值，利用參考陣元對(duì)x軸和y軸方向的方向余弦的估計(jì)值進(jìn)行配對(duì)運(yùn)算，從而得到二維到達(dá)角的估計(jì)。附圖說明為了更清楚地說明本專利技術(shù)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中需要使用的附圖做簡單介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本專利技術(shù)的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本專利技術(shù)實(shí)施例的陣列示意圖。圖2為本專利技術(shù)方法的流程圖。圖3為仿真實(shí)驗(yàn)配對(duì)前俯仰角和方位角估計(jì)的散布圖。圖4為仿真實(shí)驗(yàn)配對(duì)后俯仰角和方位角估計(jì)的散布圖。圖5為仿真實(shí)驗(yàn)MUSIC算法俯仰角和方位角估計(jì)的散布圖。圖6為仿真實(shí)驗(yàn)本專利技術(shù)方法與MUSIC方法的到達(dá)角估計(jì)成功概率與信噪比的關(guān)系比較圖。圖7為仿真實(shí)驗(yàn)本專利技術(shù)方法的俯仰角和方位角估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏差與信噪比的關(guān)系圖。具體實(shí)施方式為了讓本專利技術(shù)的上述和其它目的、特征及優(yōu)點(diǎn)能更明顯，下文特舉本專利技術(shù)實(shí)施例，并配合所附圖示，做詳細(xì)說明如下。圖1所示為本專利技術(shù)接收陣列的示意圖，圖1中以黑點(diǎn)代表陣元的位置。該陣列由分別均勻放置于x軸與y軸上的陣元和參考陣元組成，x軸上設(shè)置了M個(gè)陣元，y軸上設(shè)置了M個(gè)陣元，共有2M-1個(gè)陣元，x軸上的相鄰陣元間的間距dx≤0.5λ，y軸上的相鄰陣元間的間距dy≤0.5λ，λ為入射信號(hào)的波長，位于坐標(biāo)原點(diǎn)的陣元兩軸共用，位于坐標(biāo)原點(diǎn)的陣元用于相關(guān)降噪處理。x軸上的陣元組成x軸子陣，y軸上的陣元組成y軸子陣。參考陣元位于坐標(biāo)軸外，參考陣元的坐標(biāo)為(Δx，Δy)，參考陣元用于x軸方向的方向余弦和y軸方向的方向余弦的配對(duì)運(yùn)算。參照?qǐng)D2，本專利技術(shù)的二維到達(dá)角估計(jì)方法的步驟如下：K個(gè)信號(hào)以不同參數(shù){(θ1，φ1)，...，(θk，φk)，...，(θK，φK)}入射到接收陣列上，θk∈(0，90°)為第k個(gè)入射信號(hào)的俯仰角，φk∈(0，360°)為第k個(gè)入射信號(hào)的方位角，k＝1，...，K，步驟一：由接收陣列的N次快拍數(shù)據(jù)矩陣構(gòu)造x軸和y軸的觀測(cè)數(shù)據(jù)矢量：其中，X為x軸上的M個(gè)陣元的接收數(shù)據(jù)，Y為y軸上的M個(gè)陣元的接收數(shù)據(jù)，N為快拍數(shù)，x1為坐標(biāo)原點(diǎn)處的陣元的接收數(shù)據(jù)，Rs是信號(hào)相關(guān)函數(shù)矩陣，Ax＝[a(u1)，...，a(uk)，...，a(uK)]為x軸子陣的陣列導(dǎo)向矢量，Ay＝[a(v1)，...，a(vk)，...，a(vK)]為y軸子陣的陣列導(dǎo)向矢量，式中的uk＝sinθkcosφk是第k個(gè)入射信號(hào)x軸的本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
L型陣列的二維到達(dá)角估計(jì)方法，其特征在于：所述L型陣列由分別均勻間隔放置于x軸、y軸上的陣元以及一位于坐標(biāo)軸外的參考陣元組成，x軸上設(shè)置了M個(gè)陣元，y軸上設(shè)置了M個(gè)陣元，位于坐標(biāo)原點(diǎn)的陣元兩軸共用；K個(gè)入射信號(hào)以不同參數(shù){(θ1,φ1),…,(θk,φk),…,(θK,φK)}入射到陣列上，θk為第k個(gè)入射信號(hào)的俯仰角，φk為第k個(gè)入射信號(hào)的方位角，k＝1,…,K，所述方法步驟如下：步驟一：由接收陣列的N次快拍數(shù)據(jù)矩陣分別構(gòu)造x軸的觀測(cè)數(shù)據(jù)矢量Zx和y軸的觀測(cè)數(shù)據(jù)矢量Zy：Zx=1NXx1=AxRs,]]>Zy=1NYx1=AyRs,]]>其中，X為x軸上陣元的接收數(shù)據(jù)，Y為y軸上陣元的接收數(shù)據(jù)，N為快拍數(shù)，x1為坐標(biāo)原點(diǎn)處的陣元的接收數(shù)據(jù)，Rs是信號(hào)相關(guān)函數(shù)矩陣，Ax為x軸子陣的陣列導(dǎo)向矢量，Ay為y軸子陣的陣列導(dǎo)向矢量；步驟二：構(gòu)造x軸方向的測(cè)量矩陣Fx和y軸方向的測(cè)量矩陣Fy以及對(duì)應(yīng)的稀疏信號(hào)矢量hx和hy；將x軸方向的待測(cè)方向余弦均分為L1份，x軸的方向余弦矩陣l1＝1，…，L1，利用x軸的方向余弦矩陣U構(gòu)建x軸方向的觀測(cè)矩陣Fx=[Bx(u1),...,Bx(ul1),...,Bx(uL1)],]]>其中Bx(ul1)=[1ej2πλdxul1,...,ej2πλ(M-1)dxul1]T,]]>式中的j為虛數(shù)單位，λ為入射信號(hào)的波長，dx為x軸上的相鄰陣元間的間距，為x軸方向的第l1個(gè)潛在的輻射源信號(hào)的方向余弦值，M為陣元數(shù)，與x軸方向的觀測(cè)矩陣Fx對(duì)應(yīng)的稀疏信號(hào)矢量hx＝[hx(1),…,hx(l1),…,hx(L1)]T，hx(l1)為x軸方向第l1個(gè)潛在的輻射源信號(hào)的功率，x軸的觀測(cè)數(shù)據(jù)矢量Zx可表示為Zx＝Fxhx；將y軸方向的待測(cè)方向余弦均分為L2份，y軸的方向余弦矩陣l2＝1,…,L2，利用y軸的方向余弦矩陣V構(gòu)建y軸方向的觀測(cè)矩陣Fy=[By(v1),...,By(vl2),...,By(vL2)],]]>其中By(vl2)=[1ej2πλdyvl2,...,ej2πλ(M-1)dyvl2]T,]]>式中的dy為y軸上的相鄰陣元間的間距，為y軸方向的第l2個(gè)潛在的輻射源信號(hào)的方向余弦值，與y軸方向的觀測(cè)矩陣Fy對(duì)應(yīng)的稀疏信號(hào)矢量為hy＝[hy(1),…,hy(l2),…,hy(L2)]T，hy(l2)為y軸方向第l2個(gè)潛在的輻射源信號(hào)的功率，y軸的觀測(cè)數(shù)據(jù)矢量Zy可表示為Zy＝Fyhy；步驟三、計(jì)算x軸的方向余弦矩陣估計(jì)值和y軸的方向余弦矩陣估計(jì)值利用最小絕對(duì)收縮和選擇算法計(jì)算稀疏信號(hào)矢量的粗略估計(jì)值和h~x=argminhx{||Zx-Fxhx||2+q1||hx||1},]]>h~y=argminhy{||Zy-Fyhy||2+q2||hy||1};]]>其中，Zx為x軸的觀測(cè)數(shù)據(jù)矢量，Zy為y軸的觀測(cè)數(shù)據(jù)矢量，F(xiàn)x為x軸方向的觀測(cè)矩陣，F(xiàn)y為y軸方向的觀測(cè)矩陣，hx為與Fx對(duì)應(yīng)的稀疏信號(hào)矢量，hy為與Fy對(duì)應(yīng)的稀疏信號(hào)矢量，q1和q2是正則化參數(shù)，||·||2表示2范數(shù)，||·||1表示1范數(shù)；根據(jù)稀疏信號(hào)矢量的粗略估計(jì)值設(shè)置門限Δ1和Δ2：0＜Δ1＜hxm，0＜Δ2＜hym，其中，hxm=max(h~x),hym=max(h~y),max(·)]]>表示取最大值；對(duì)小于門限的信號(hào)系數(shù)進(jìn)行第二次約束：f(|h~x(l1)|)=1,|h~x(l1)|≤Δ10,|h~x(l1)|>Δ1]]>f(|h~y(l2)|)=1,|h~y(l2)|≤Δ20,|h~y(l2)|>Δ2;]]>利用加權(quán)最小絕對(duì)收縮和選擇算法計(jì)算稀疏信號(hào)矢量的精確估計(jì)值和h^x=argminhx{||Zx-Fxhx||2+q1Σn=1N|h~(l1)|f(|h~(l1)|)},]]>h^y=argminhy{||Zy-Fyhy||2+q2Σn=1N|h~y(l2)|f(|h~y(l2)|)};]]>根據(jù)中非零元素的位置與觀測(cè)矩陣Fx列數(shù)據(jù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到存在信號(hào)的x軸的方向余弦矩陣估計(jì)值為估計(jì)得到的第l個(gè)信號(hào)x軸方向的方向余弦估計(jì)值，根據(jù)中非零元素的位置與觀測(cè)矩陣Fy列數(shù)據(jù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到存在信號(hào)的y軸方向的方向余弦矩陣估計(jì)值為估計(jì)得到的第l個(gè)信號(hào)y軸方向的方向余弦估計(jì)值，l＝1,…,K；步驟四、利用參考陣元對(duì)x軸方向的方向余弦估計(jì)值和y軸方向的方向余弦估計(jì)值進(jìn)行配對(duì)；利用參考陣元的接收數(shù)據(jù)Z進(jìn)行配對(duì)，(Δx,Δy)為參考陣元的位置坐標(biāo)，對(duì)于步驟三中得到中的每...

【技術(shù)特征摘要】
1.L型陣列的二維到達(dá)角估計(jì)方法，其特征在于：所述L型陣列由分別均勻間隔放置于x軸、y軸上的陣元以及一位于坐標(biāo)軸外的參考陣元組成，x軸上設(shè)置了M個(gè)陣元，y軸上設(shè)置了M個(gè)陣元，位于坐標(biāo)原點(diǎn)的陣元兩軸共用；K個(gè)入射信號(hào)以不同參數(shù){(θ1,φ1),…,(θk,φk),…,(θK,φK)}入射到陣列上，θk為第k個(gè)入射信號(hào)的俯仰角，φk為第k個(gè)入射信號(hào)的方位角，k＝1,…,K，所述方法步驟如下：步驟一：由接收陣列的N次快拍數(shù)據(jù)矩陣分別構(gòu)造x軸的觀測(cè)數(shù)據(jù)矢量Zx和y軸的觀測(cè)數(shù)據(jù)矢量Zy：其中，X為x軸上陣元的接收數(shù)據(jù)，Y為y軸上陣元的接收數(shù)據(jù)，N為快拍數(shù)，x1為坐標(biāo)原點(diǎn)處的陣元的接收數(shù)據(jù)，Rs是信號(hào)相關(guān)函數(shù)矩陣，Ax為x軸子陣的陣列導(dǎo)向矢量，Ay為y軸子陣的陣列導(dǎo)向矢量；步驟二：構(gòu)造x軸方向的測(cè)量矩陣Fx和y軸方向的測(cè)量矩陣Fy以及對(duì)應(yīng)的稀疏信號(hào)矢量hx和hy；將x軸方向的待測(cè)方向余弦均分為L1份，x軸的方向余弦矩陣?yán)脁軸的方向余弦矩陣U構(gòu)建x軸方向的觀測(cè)矩陣其中式中的j為虛數(shù)單位，λ為入射信號(hào)的波長，dx為x軸上的相鄰陣元間的間距，為x軸方向的第l1個(gè)潛在的輻射源信號(hào)的方向余弦值，M為陣元數(shù)，與x軸方向的觀測(cè)矩陣Fx對(duì)應(yīng)的稀疏信號(hào)矢量hx＝[hx(1),…,hx(l1),…,hx(L1)]T，hx(l1)為x軸方向第l1個(gè)潛在的輻射源信號(hào)的功率，x軸的觀測(cè)數(shù)據(jù)矢量Zx可表示為Zx＝Fxhx；將y軸方向的待測(cè)方向余弦均分為L2份，y軸的方向余弦矩陣?yán)脃軸的方向余弦矩陣V構(gòu)建y軸方向的觀測(cè)矩陣其中式中的dy為y軸上的相鄰陣元間的間距，為y軸方向的第l2個(gè)潛在的輻射源信號(hào)的方向余弦值，與y軸方向的觀測(cè)矩陣Fy對(duì)應(yīng)的稀疏信號(hào)矢量為hy＝[hy(1),…,hy(l2),…,hy(L2)]T，hy(l2)為y軸方向第l2個(gè)潛在的輻射源信號(hào)的功率，y軸的觀測(cè)數(shù)據(jù)矢量Zy可表示為Zy＝Fyhy；步驟三、計(jì)算x軸的方向余弦矩陣估計(jì)值和y軸的方向余弦矩陣估計(jì)值利用最小絕對(duì)收縮和選擇算法計(jì)算稀疏信號(hào)矢量的粗略估計(jì)值和

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王桂寶，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：陜西理工學(xué)院，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西;61