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专利名称：一种少阵元近场宽带信号源参数估计方法
技术领域：
本发明应用于阵列信号处理领域的近场宽带目标定位技术。
背景技术：
基于传感器阵列的辐射源定位是阵列信号处理的一个重要研究内容，它在雷达，声纳，无线通信，地震学以及射电天文学等众多领域中都有着广泛的应用。通常情况下，当信源位置与接收阵列距离较远时，在接收端可以将目标发射信号看成是一个平面波，目标的位置可以通过信源的方位角(DOA)来确定。传统的高分辨DOA估计方法均是基于远场模型下得到的。然而，当信源距离接收阵列较近即信源位于近场条件范围时，平面波的假设不再成立，信号以球面波的形式通过阵列，此时需同时估计出信源的DOA和距离参数才能实现定位，基于远场假设条件下得到的方法不再有效。因此近年来，对近场源参数估计的研究 逐渐引起国内外学者的关注，成为阵列信号处理领域中一个新的热点。在过去十几年来，MUSIC (Multiple Signal Classif ication多信号分类)算法,极大似然(MLE), 二阶统计量和加权线性预测等方法都被用来对近场窄带目标定位。随着现代信号处理技术的发展，宽带信号在阵列信号处理系统中的应用越来越普遍。目前为止，已经有许多学者对宽带信号的DOA估计进行了研究，并取得了显著的研究成果。近年来，各国相关学者针对近场宽带信源定位问题也相继提出了一系列的定位方法，如最大似然法，二维MUSIC算法，路径跟踪算法，高阶ESPRIT算法等。这些算法或多或少存在着一些不足，例如最大似然方法虽然具有最好的估计性能，但是计算量很大，限制了其在实际工程中的应用。二维MUSIC算法中的ISSM算法在低信噪比条件下估计性能较差，且计算量大，不能估计相干信号源，CSSM类算法通过应用聚焦矩阵，对不同频率点的数据进行聚焦，得到单一频率点(参考频点)的数据，从而计算出信号协方差矩阵，再应用传统窄带子空间方法计算出方位角，但该算法需要对信源位置进行预估，且最终定位结果对预估值敏感。高阶ESPRIT算法计算量较大，并且往往存在参数配对或孔径损失等问题。上述的近场宽带信源定位方法都是建立在阵元个数个数大于或等于信号源个数条件下的。比如，MUSIC算法通过将接收信号变换到频域，在估计中心频点，并将宽带信号聚焦到中心频点上(以形成窄带)，再通过接收向量得到一个自相关矩阵，通过该自相关矩阵得到信号子空间与噪声子空间从而计算得到信源的方位角DOA。MUSIC算法构造的自相关矩阵的秩需要等于信号源的个数，这样，就需要阵元个数个数大于或等于信号源个数。显然要求阵元个数个数大于或等于信号源个数无法适合于用户日益增长的移动通信等环境中，一般来讲此时的用户是远远大于阵元个数的，而且从物理条件或者经济成本考虑，阵元数通常也是较有限的。然而当信源数大于阵元数时，阵列流型矩阵各列之间不再线性独立，信源协方差矩阵会发生秩亏缺，则此时阵列信号协方差矩阵的大特征值数目小于信源数，不能构成信号子空间，传统的子空间方法无法再使用
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用较少阵元对较多的近场宽带信号源的DOA和距离参数进行估计的方法。本发明为解决上述技术问题所提供的技术方案是，接收阵列中阵元的数量至少为5个，接收阵列中心的阵元设为参考阵元，包括以下步骤(一)对阵列中各阵元的接收信号Xp(t)进行离散傅里叶变换得到近场宽带信号源在频率域的阵列信号模型Xp (f)，之后进入步骤(二)和步骤(五)；
权利要求
1.一种少阵元近场宽带信号源參数估计方法，其特征在于，接收阵列中阵元的数量至少为5个，接收阵列中心的阵元设为參考阵元，包括以下步骤 (一)对阵列中各阵元的接收信号Xp (t)进行离散傅里叶变换得到近场宽带信号源在频率域的阵列信号模型Xp (f)，之后进入步骤(ニ)和步骤(五)； Xp{f) = t^f)eJ^f)+Np(f) 其中，P表不各阵兀的编号，參考阵兀的编号为P=O,与參考阵兀为中心向左为负方向，向右为正方向；K为近场非相关宽带信号源的个数，Sk(f)表示第k个信号在频率f上的频谱，Np(f)表示在频率f上的第P个附加噪声，附加噪声Np (f)为与信号不相关的零均值空间白噪声，τ pk(f)表示第k个信号入射到參考阵元相对于第P个阵元在频率f上的相位差； (ニ)将近场宽带信号的频率带宽[fmin，fmaJ分解成2N+1个频率族，N为正向频率段数的最大值，计算频率族中呈中心対称的阵元输出的含有方位角信息的互相关&(&+!!△ f)
2.如权利要求I所述ー种少阵元近场宽带信号源參数估计方法，其特征在于，步骤(一)中第k个信号入射到參考阵元相对于第P个阵元在频率f上的相位差Tpk(f)通过以下方法计算 τ Pk(f) = copk(O + c^pk(f)，其中，c0Pk(f)为只含有方位角參数的电角度參数，Φρ ^ )为同时含有方位角和距离參数的电角度參数；
3.如权利要求2所述一种少阵元近场宽带信号源方位角和距离二维参数联合估计方法，其特征在于，步骤(三)利用互相关^构造托普利茨矩阵L1的具体方法为
4.如权利要求3所述一种少阵元近场宽带信号源方位角和距离二维参数联合估计方法，其特征在于，步骤(四)中使用MUSIC算法计算近场非相关宽带信号源的方位角参数的方法为 首先对矩阵Rp,i进行奇异值分解，利用零奇异值对应的左奇异矢量构成的(N+l) X (N+1-K)维矩阵Um为矩阵Riu的噪声子空间； 再对功率谱P1 ( Θ k)进行谱峰搜索得到信号的方位角；
5.如权利要求4所述一种少阵元近场宽带信号源方位角和距离二维参数联合估计方法，其特征在于，步骤(七)中使用MUSIC算法计算近场非相关宽带信号源的距离参数的方法为 首先对矩阵Rp,2进行奇异值分解，利用零奇异值对应的左奇异矢量构成的(N+l) X (N+l-Κ)维矩阵Un2为矩阵Rp，2的噪声子空间； 再对功率谱P2 ( β pk)进行谱峰搜索得；
全文摘要
本发明提提供一种利用较少阵元对较多的近场宽带信号源的DOA和距离参数进行估计的方法，充分利用宽带信号的特点，在较少阵元的情况下，利用频率族中阵元输出的互相关构造出满足现有窄带MUSIC算法的，含有方位角和距离参数信息的托普利茨矩阵，最后采用MUSIC算法来估计方位角和距离参数，实现对较多的近场宽带信号源进行定位。本发明可利用较少阵元对较多的近场宽带信号源进行定位，且不需参数配对，角度预估和宽带聚焦，运算量更�。�便于实际应用。
文档编号G01S5/02GK102841344SQ20121033739
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月13日 优先权日2012年9月13日
发明者林文凤, 易周维, 甘露, 魏平, 李立萍 申请人:电子科技大学