[发明专利]基于均匀圆阵的近场和远场混合信号源定位方法

说明书

本发明提供一种在均匀圆阵下的近场和远场混合信号源定位方法。技术方案是：首先，计算均匀圆阵的对角阵元接收信号的相位差，构造出仅包含方位角和俯仰角信息的矩阵；随后，利用最小二乘法反演出接收信号中包括的所有信号源的方位角和俯仰角；接着，利用多重信号分类方法计算所有信号源的距离空间谱；最后，利用每个信号源的距离空间谱对信号成分进行识别，分辨出近场信号和远场信号，并得到近场信号的距离。本发明定位精度高，计算量小。

技术领域

本发明属于阵列信号处理技术领域，特别是涉及一种基于均匀圆阵的近场和远场混合信号源定位方法。

背景技术

信号源定位在雷达、声纳、无线通信等领域具有重要的作用。空间中的信号源分为远场信号和近场信号。远场信号和近场信号均是按照信号源距离阵列的远近来定义的，远场信号相对于接收阵列距离较远，其距离远远大于接收阵列间的阵列孔径尺度，此时信号到达各个阵元的波前可以假设为平面波，位置信息可以由信号的波达方向来描述；近场信号靠近接收阵列，处于阵列的菲涅耳区(近场区)，信号源波前的固有曲率不能够被忽略不计，即波前需要由球面波来描述，位置需要由波达方向和距离等参数进行描述。在一些实际应用中，如基于麦克风阵列的话音定位问题中，输入信号为近场和远场混合信号，需要分别估计出远场信号的波达方向，以及近场信号的波达方向和距离。

如何识别和分离近场信号和远场信号是对混合信号源定位的关键所在。现有文献中，文章“Two-stage matrix differencing algorithm for mixed far-field and near-field sources classification and localization[J]”(IEEE Sens J,2014,14(6):第1957页～第1965页)研究了在均匀线阵下，基于矩阵差分的估计方法分离出混合信号源中的近场信号，进而利用多重信号分类(Multiple Signal Classification，MUSIC)估计出近场信号的一维波达方向和距离，以及远场信号的一维波达方向。但是该方法存在一定的局限性，就信号定位而言，信号源在空间中的位置需要由方位角、俯仰角和距离等三维位置参数进行描述，该方法只能估计出信号源的一维波达方向和距离等二维位置参数。

均匀线阵仅能提供180°的波达方向信息，而且其分辨力主要集中在法线方向，轴线方向的分辨力较差，所以真正有效范围一般只有120°。相较于均匀线阵，均匀圆阵具有360°的全方位角覆盖、几乎不变的方向图以及额外的俯仰角信息等优点。文章“Passivelocalisation of mixed far-field and near-field sources using uniform circulararray[J]”(Electron Lett,2016,52(20):第1690页～第1692页)依据均匀圆阵的阵列结构特点，将均匀线阵的方法推广应用到均匀圆阵中，实现了从混合信号源中提取近场信号，这种方法简称TSMUSIC。TSMUSIC利用二维MUSIC算法和一维MUSIC算法分别估计出近场信号的二维波达方向(方位角和俯仰角)和距离，通过二维MUSIC算法估计出远场信号的方位角和俯仰角。但是该方法存在一定缺陷和不足，就算法复杂度而言，估计方位角和俯仰角需要进行谱峰搜索，计算量较大。

文章“Closed-Form algorithm for 3-D single-source localization withuniform circular array[J]”(IEEE Antenn Wirel PR,2014,13:第1096页～第1099页)提出在均匀圆阵下，通过相邻阵元序列复共轭积的相位，结合最小二乘算法方法实现近场信号的定位。相较于MUSIC方法，基于相位差方法的计算量显著减少，且具有较高的定位精度。但是该方法存在一定的局限性，就定位对象而言，该方法只能实现一个近场信号的三维位置参数估计，无法直接推广到近场和远场混合信号源定位。

发明内容