[发明专利]一种时间调制阵列非圆信号测向方法

说明书

本发明涉及一种时间调制阵列非圆信号测向方法，包括：建立非圆信号下的时间调制阵列接收信号模型；针对时间调制引起的非均匀噪声问题，通过对时间调制序列的理论分析，对噪声进行预白化处理；将信号协方差矩阵与信号共轭协方差矩阵在双四元数的多维域进行数据组合，利用信号子空间的正交性构造测向适应度函数；对测向适应度函数进行数值分析，实现信号来向参数与非圆相位参数的解耦，在分析得到的测向适应度函数的理论下界指导下，构造得到利用时间调制阵列的基于双四元数的非圆信号DOA估计器。本发明达到了时间调制阵列下，针对非圆信号的测向问题，基于双四元数实现阵列测向自由度和虚拟阵列孔径的提升，进而实现提高测向精度和分辨率的目的。

技术领域

本发明属于信号处理领域的一种信号到达方向(Direction of Arrival,DOA)估计技术，具体涉及时间调制阵列非圆信号测向方法。

背景技术

阵列信号处理是信号处理领域的一个重要分支，作为阵列信号处理中一个主要的研究方向，信号到达方向估计(亦称为测向)广泛应用于通信、声纳、雷达、勘探、射电天文等众多领域。对于现有的测向方法，其系统实现的成本与测向性能之间存在严重的制约关系。为了在测向性能和实现成本之间实现较好的权衡，时间调制阵列被引入到测向系统中来摆脱上述困境。

目前，利用时间调制阵列进行测向的研究大多基于“入射信号为复圆信号”的假设进行。在实际的移动通信场景下存在很多非圆信号，如调幅(AM)、脉冲调幅(PAM)、二进制相移键控(BPSK)信号等。通过在测向系统中考虑非圆信号的特性，可以有效地扩大阵列孔径从而获得更好的分辨率。近年来有学者提出了在四元数或双四元数框架下利用非圆信号特性进行测向实现的方法，其在非圆信号的基础上利用超复数域(四元数、双四元数)数据之间更强的正交性，有效提高了测向的准确性和稳健性。由于阵列结构的变化，已有的针对非圆信号测向的算法不再适用于时间调制阵列，因此如何设计一种时间调制阵列非圆信号测向方法成为了一个非常值得研究的问题。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决时间调制阵列下，需要估计的信号源数目大于阵元数目时，已有的测向算法无法有效进行测向的问题，本发明提供一种时间调制阵列非圆信号测向方法。其具有信源数目大于阵元数目条件下的测向能力，且相较于已有算法显著提高了测向精度与测向分辨率。

技术方案

一种时间调制阵列非圆信号测向方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：建立非圆信号下的时间调制阵列接收信号模型；

步骤2：针对时间调制引起的非均匀噪声问题，通过对时间调制序列的理论分析，对噪声进行预白化处理；

步骤3：将信号协方差矩阵与信号共轭协方差矩阵在双四元数的多维域进行数据组合，利用信号子空间的正交性构造测向适应度函数；

步骤4：对测向适应度函数进行数值分析，实现信号来向参数与非圆相位参数的解耦，在分析得到的测向适应度函数的理论下界指导下，构造得到利用时间调制阵列的基于双四元数的非圆信号DOA估计器。

本发明进一步的技术方案：步骤1所述的非圆信号下的时间调制阵列接收信号模型建立过程如下：

假设具有相同载频f₀的远场不相关窄带非圆信号入射到基于时间调制阵列的测向系统中；由于高速射频开关的影响，通过单刀多掷开关的信号可写为

其中s_k(t)表示从θ_k方向入射的第k个信号，β和d分别代表波数和阵元间距，n_m(t)是方差为σ²的零均值圆高斯白噪声，U_m(t)是第m个阵元上的时间调制函数，可以表示为