[发明专利]基于范德蒙分解的互质阵列波达方向估计方法

说明书

本发明公开了一种基于范德蒙分解的互质阵列波达方向估计方法，主要解决现有技术中自由度性能受限与计算复杂度高的问题，其实现步骤是：接收端天线按互质阵列结构进行架构；利用互质阵列接收入射信号并建模；计算互质阵列接收信号所对应的等价虚拟信号；构造虚拟阵列协方差矩阵；对虚拟阵列协方差矩阵进行去噪处理；将去噪后的虚拟阵列协方差矩阵进行具有唯一性的范德蒙分解；将范德蒙分解所得参量与理论值一一对应获得波达方向和功率估计结果。本发明充分利用了互质阵列能够增加自由度的优势和范德蒙分解方法无需预先设置网格点的特点，在降低计算复杂度的同时实现波达方向估计方法自由度的增加，可用于无源定位和目标探测。

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及对雷达信号、声学信号及电磁信号的波达方向估计，具体是一种基于范德蒙分解的互质阵列波达方向估计方法，可用于无源定位和目标探测。

背景技术

波达方向(Direction-of-Arrival,DOA)估计是阵列信号处理领域的一个重要分支，它是指利用阵列天线接收空域信号，并通过统计信号处理技术和各类优化方法对接收信号进行处理，以恢复信号中包含的DOA信息，在雷达、声呐、语音、无线通信等领域有着广泛的应用。

DOA估计方法的自由度是指其能够分辨的入射信号源个数，作为实际系统应用中的一个重要性能指标，决定着系统的总体复杂度。现有的DOA估计方法通常采用均匀线性阵列进行信号的接收与建模，但是基于均匀线性阵列方法的自由度受限于实际天线阵元个数。具体而言，对于一个包含L个天线阵元的均匀线性阵列，其自由度为L-1，即最多只能分辨L-1个入射信号。因此，当某个空域范围内入射信号源的个数大于或等于阵列中天线阵元的个数时，现有采用均匀线性阵列的方法将无法进行有效的DOA估计。为了增加自由度，传统方法需要通过增加物理天线阵元及相应的射频模块来实现，这造成了系统计算复杂度和硬件复杂度的增加。因此，现有采用均匀线性阵列的DOA估计方法在自由度性能与计算复杂度之间存在着一定的利弊权衡问题。

与均匀阵列相比，互质阵列能够采用相同个数的天线阵元取得更多的自由度，因而受到了广泛关注。作为互质采样技术在空间域上的一个典型表现形式，互质阵列提供了一个系统化的稀疏阵列架构方案，并能够突破传统均匀线性阵列自由度受限的瓶颈，实现DOA估计方法自由度性能的提升。现有的基于互质阵列的DOA估计方法可以通过利用质数的性质将互质阵列推导到虚拟域，并形成等价虚拟均匀线性阵列接收信号以实现DOA估计。由于虚拟阵列中包含的虚拟阵元数大于实际的天线阵元数，自由度因此得到了有效的提升。但是，现有基于等价虚拟信号的方法通常需要通过设置预先定义的网格点来设计优化问题，从而进行DOA估计。由于实际中信号的来波方向不会完全位于这些预先定义的网格点上，导致了DOA估计的精度受限于网格密度。尽管可以通过减小网格间的采样间隔实现估计精度的提升，网格点的密集化将导致方法计算复杂度的指数型增长。此外，现有的DOA估计方法的频谱图通常为伪谱，其DOA估计方向的波峰响应无法用来表示信号功率；而事实上，信号功率也是描述信号源的一个重要参量，我们希望频谱图能够在估计波达方向的同时反映其功率信息。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于范德蒙分解的互质阵列波达方向估计方法，通过利用互质阵列的特性推导虚拟域等价接收信号，以提升估计方法的自由度，并对虚拟阵列协方差矩阵进行具有唯一性的范德蒙分解，在进行无网格化波达方向估计的同时实现了相应波达方向上的功率估计，从而在实际应用过程中降低了计算复杂度和硬件复杂度，提高了系统的整体效率和估计精确度。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于范德蒙分解的互质阵列波达方向估计方法，包含以下步骤：

(1)接收端使用2M+N-1个天线，并按照互质阵列结构进行架构；其中M与N为互质整数，且M<N；