基于root?MUSIC算法的目標波達方向獲取方法技術

本發明專利技術公開了一種基于root?MUSIC算法的目標波達方向獲取方法，思路為：確定雷達包含N個陣元，并確定雷達檢測范圍內的波束形成矩陣B，所述雷達檢測范圍內的波束形成矩陣B中包含N

【技術實現步驟摘要】
基于root-MUSIC算法的目標波達方向獲取方法
本專利技術屬于雷達
，特別涉及一種基于root-MUSIC算法的目標波達方向獲取方法，即基于求根的多重信號分類(root-MUSIC)算法的目標波達方向獲取方法，適用于確定任意波束的目標波達方向。
技術介紹
目標的波達方向DOA估計在陣列信號處理中具有重要的意義，在過去的近40年里，人們提出了一系列的目標的波達方向DOA估計算法；其中，MUSIC算法由于其自身的高分辨能力得到了廣泛的應用。然而，傳統的MUSIC算法實現需要在整個角度范圍內進行一維或多維搜索，計算量很大。為了降低計算量，人們提出了root-MUSIC算法，然而它的計算量是陣元數的三次方，并且陣元數的增加會帶來更大的計算量；與此同時，考慮到傳統的波束空間處理的優勢，如計算量低，分辨目標需要的SNR低，人們提出了波束空間MUSIC算法，研究表明，波束空間MUSIC算法在波束形成共同的帶外零點特性時，如波束形成矩陣為離散傅里葉變換DFT矩陣的情況，波束空間root-MUSIC算法的實現的計算量僅為波束數的三次方，共同的帶外零點特性通常是不現實的。
技術實現思路
針對傳統的波束空間root-MUSIC算法計算量大，且對波束形成矩陣有限制的問題，本專利技術的目的在于提出一種基于root-MUSIC算法的目標波達方向獲取方法，該種基于root-MUSIC算法的目標波達方向獲取方法利用多窗低階實多項式求根來實現波束空間root-MUSIC，相比傳統算法計算量更低，估計的結果更穩定，且可適用于任意波束形成矩陣中目標波達方向的確定。為實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案予以實現。一種基于root-MUSIC算法的目標波達方向獲取方法，包括以下步驟：；步驟1，確定雷達，所述雷達包含N個陣元，并確定雷達檢測范圍內的波束形成矩陣B，所述雷達檢測范圍內的波束形成矩陣B中包含Ns個目標信號；然后確定雷達檢測范圍內的波束形成矩陣的空間頻譜區域范圍，并將所述空間頻譜區域范圍以間隔ε均勻劃分為M個空間頻譜區域，并順序排列，其中M＝2Nb-1，Nb表示波束形成矩陣B包含的波束個數，N、Nb、M、ε分別為大于0的整數；步驟2，選取順序排列后M個空間頻譜區域中的第1個空間頻譜區域，并計算得到第1個空間頻譜區域的窗矢量矩陣T，進而計算得到第1個空間頻譜區域的窗矢量矩陣估計步驟3，確定雷達接收到的回波數據為X，然后計算得到雷達回波數據的采樣協方差矩陣估計對雷達回波數據的采樣協方差矩陣估計進行特征分解，并計算得到雷達回波數據的采樣協方差矩陣估計的噪聲子空間矩陣步驟4，利用雷達檢測范圍內的波束形成矩陣B和雷達回波數據的采樣協方差矩陣估計的噪聲子空間矩陣計算得到雷達檢測范圍內的波束形成矩陣的噪聲協方差矩陣V；步驟5，將雷達檢測范圍內的波束形成矩陣的噪聲協方差矩陣V中包含的所有的對角元素構造列矢量v；步驟6，確定M個空間頻譜區域的變換矩陣W，并根據列矢量v和第1個空間頻譜區域的窗矢量矩陣估計計算得到中間矩陣D；然后，利用M個空間頻譜區域的變換矩陣W對中間矩陣D進行變換，得到M個空間頻譜區域對應的M組低階實多項式系數；步驟7，根據M個空間頻譜區域對應的M組低階實多項式系數，對應得到M個方程，其中第m個方程為fl-1為第l-1次冪的自變量，f0＝1，γml為第m組低階實多項式系數中的第l階系數，求解第m個方程后得到L個共軛根，每個共軛根包含實部和虛部，然后在L個共軛根中選擇虛部滿足設定要求的N's個共軛根，所述設定要求為虛部模值小于10-6的共軛根，該N's個共軛根各自對應的實部，分別對應為雷達檢測范圍內的波束形成矩陣B內Ns個目標信號各自空間角度的正弦值，并且所述Ns個目標信號各自角度的正弦值，分別對應為雷達檢測范圍內的波束形成矩陣B內Ns個目標信號各自的波達方向；其中，雷達檢測范圍內的波束形成矩陣B中包含的目標信號個數與L個共軛根中虛部滿足設定要求的共軛根個數相等且一一對應。本專利技術具有以下優點：第一，本專利技術將高階多項式分解為多組低階多項式，通過低階實多項式求根來降低計算復雜度，提高實時處理能力；另外，相比傳統的root-MUSIC僅適用于DFT波束形成矩陣的情況，本專利技術方法能夠適用于任意波束。第二，本專利技術方法利用多窗實多項式求根來降低波束空間root-MUSIC算法的復雜度，并針對傳統的波束空間root-MUSIC算法在大陣列情況下的計算量問題，將高階多項式分解為多組低階多項式，通過低階實多項式求根來降低計算復雜度，提高實時處理能力。第三，相比傳統的root-MUSIC在實際操作中通常需要利用加窗等錐削方法來降低旁瓣，進而抑制干擾，因此傳統的root-MUSIC僅適用于DFT波束形成矩陣；相比傳統的root-MUSIC，本專利技術方法考慮到在小角度區域內(如-3dB波束寬度內)導向矢量的相關性，該小角度區域內任意導向矢量可以利用其對應空間頻率的低階實多項式來近似，使得本專利技術方法能夠利用多組低階實多項式求根來實現，相比傳統算法計算量更低，估計的結果更穩定，且可適用于任意波束形成矩陣。附圖說明下面結合附圖和具體實施方式對本專利技術作進一步詳細說明。圖1是本專利技術的一種基于root-MUSIC算法的目標波達方向獲取方法流程圖；圖2是不同階數下導向矢量近似誤差圖；圖3是理想情況下多種算法估計目標角度RMSE對比圖；圖4是錐削情況下多種算法估計目標角度RMSE對比圖。具體實施方式參照圖1，為本專利技術的一種基于root-MUSIC算法的目標波達方向獲取方法流程圖；所述基于root-MUSIC算法的目標波達方向獲取方法，包括以下步驟：步驟1，確定雷達，所述雷達包含N個陣元，并確定雷達檢測范圍內的波束形成矩陣B，所述雷達檢測范圍內的波束形成矩陣B中包含Ns個目標信號，下標s代表信號signal，且所述雷達檢測范圍內的波束形成矩陣B包含N'b個列矢量，其中每一個列矢量都是為了將雷達中對應波束指向的空間角度而設置的權值矢量，表示N×Nb階的復數域矩陣，∈表示屬于，Nb表示波束形成矩陣B包含的波束個數，下標b代表波束beam；N≥Nb≥Ns。然后確定雷達檢測范圍內的波束形成矩陣的空間頻譜區域范圍為[-Nb/NNb/N]，并將該空間頻譜區域范圍[-Nb/NNb/N]以間隔ε均勻劃分為M個空間頻譜區域，并順序排列，其中M＝2Nb-1，N、Nb、Ns、M、ε分別為大于0的整數。步驟2，選取順序排列后M個空間頻譜區域中的第1個空間頻譜區域，并利用最小二乘方法計算得到第1個空間頻譜區域的窗矢量矩陣T，T＝[t1,t2,…tL+1]，T∈C(2N-1)×(L+1)，C(2N-1)×(L+1)表示(2N-1)×(L+1)階的復數域矩陣，L表示設定的多項式最高階數，L≥3；進而計算得到第1個空間頻譜區域的窗矢量矩陣估計步驟2的具體實現子步驟如下：2.1選取順序排列后M個空間頻譜區域中的第1個空間頻譜區域，所述第1個空間頻譜區域包含若干個頻點，選取其中Q個頻點，并分別將第q個頻點的頻率記為fq，將第q個頻點的頻率對應的擴展導向矢量記為上標T表示轉置，N表示雷達包含的陣元個數，e表示指數函數。2.2利用最小二乘法計算得到第q個頻點的頻率對應的擴展導向矢量的低階實多項式近似，即T∈C本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于root?MUSIC算法的目標波達方向獲取方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1，確定雷達，所述雷達包含N個陣元，并確定雷達檢測范圍內的波束形成矩陣B，所述雷達檢測范圍內的波束形成矩陣B中包含N

【技術特征摘要】
1.一種基于root-MUSIC算法的目標波達方向獲取方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1，確定雷達，所述雷達包含N個陣元，并確定雷達檢測范圍內的波束形成矩陣B，所述雷達檢測范圍內的波束形成矩陣B中包含Ns個目標信號；然后確定雷達檢測范圍內的波束形成矩陣的空間頻譜區域范圍，并將所述空間頻譜區域范圍以間隔ε均勻劃分為M個空間頻譜區域，并順序排列，其中M＝2Nb-1，Nb表示波束形成矩陣B包含的波束個數，N、Nb、M、ε分別為大于0的整數；步驟2，選取順序排列后M個空間頻譜區域中的第1個空間頻譜區域，并計算得到第1個空間頻譜區域的窗矢量矩陣T，進而計算得到第1個空間頻譜區域的窗矢量矩陣估計步驟3，確定雷達接收到的回波數據為X，然后計算得到雷達回波數據的采樣協方差矩陣估計對雷達回波數據的采樣協方差矩陣估計進行特征分解，并計算得到雷達回波數據的采樣協方差矩陣估計的噪聲子空間矩陣步驟4，利用雷達檢測范圍內的波束形成矩陣B和雷達回波數據的采樣協方差矩陣估計的噪聲子空間矩陣計算得到雷達檢測范圍內的波束形成矩陣的噪聲協方差矩陣V；步驟5，將雷達檢測范圍內的波束形成矩陣的噪聲協方差矩陣V中包含的所有的對角元素構造列矢量v；步驟6，確定M個空間頻譜區域的變換矩陣W，并根據列矢量v和第1個空間頻譜區域的窗矢量矩陣估計計算得到中間矩陣D；然后，利用M個空間頻譜區域的變換矩陣W對中間矩陣D進行變換，得到M個空間頻譜區域對應的M組低階實多項式系數；步驟7，根據M個空間頻譜區域對應的M組低階實多項式系數，對應得到M個方程，其中第m個方程為fl-1為第l-1次冪的自變量，f0＝1，γml為第m組低階實多項式系數中的第l階系數，求解第m個方程后得到L個共軛根，每個共軛根包含實部和虛部，然后在L個共軛根中選擇虛部滿足設定要求的N's個共軛根，所述設定要求為虛部模值小于10-6的共軛根，該N's個共軛根各自對應的實部，分別對應為雷達檢測范圍內的波束形成矩陣B內Ns個目標信號各自角度的正弦值，并且所述Ns個目標信號各自空間角度的正弦值，分別對應為雷達檢測范圍內的波束形成矩陣B內Ns個目標信號各自的波達方向；其中，雷達檢測范圍內的波束形成矩陣B中包含的目標信號個數與L個共軛根中虛部滿足設定要求的共軛根個數相等且一一對應。2.如權利要求1所述的一種基于root-MUSIC算法的目標波達方向獲取方法，其特征在于，在步驟1中，所述雷達檢測范圍內的波束形成矩陣B，表示N×Nb階的復數域矩陣，∈表示屬于，Nb表示波束形成矩陣B包含的波束個數；N≥Nb≥Ns；所述雷達檢測范圍內的波束形成矩陣的空間頻譜區域范圍為[-Nb/NNb/N]，并將該空間頻譜區域范圍[-Nb/NNb/N]以間隔ε均勻劃分為M個空間頻譜區域，M＝2Nb-1，N、Nb、Ns、M、ε分別為大于0的整數。3.如權利要求1所述的一種基于root-MUSIC算法的目標波達方向獲取方法，其特征在于，步驟2的子步驟為：2.1選取順序排列后M個空間頻譜區域中的第1個空間頻譜區域，所述第1個空間頻譜區域包含若干個頻點，選取其中Q個頻點，并分別將第q個頻點的頻率記為fq，將第q個頻點的頻率對應的擴展導向矢量記為上標T表示轉置，N表示雷達包含的陣元個數，e表示指數函數；2.2利用最小二乘法計算得到第q個頻點的頻率對應的擴展導向矢量的低階實多項式近似，即T∈C(2N-1)×(L+1)，C(2N-1)×(L+1)表示(2N-1)×(L+1)階的復數域矩陣，T為第1個空間頻譜區域的窗矢量矩陣，ζ(fq)為第q個頻點的頻率對應的擴展導向矢量的低階實多項式的近似誤差，fq為第q個頻點的頻率對應的擴展導向矢量的L階多項式矢量，L表示設定的多項式最高階數，L≥3，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王彤，夏月明，王娟，吳建新，
申請(專利權)人：西安電子科技大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61