[发明专利]一种基于压缩感知的互质阵列高精度波达方向估计方法

说明书

本发明公开了一种基于压缩感知的互质阵列高精度波达方向估计方法，主要解决现有技术中估计精度与计算复杂度之间的矛盾，其实现步骤是：(1)接收端天线按照互质阵列结构进行架构；(2)利用互质阵列接收入射信号；(3)构造压缩感知核；(4)利用压缩感知核实现接收信号的压缩，得到互质阵列接收信号的轮廓信号；(5)计算压缩后轮廓信号的协方差矩阵；(6)计算轮廓信号所对应的导引向量；(7)根据轮廓信号的协方差矩阵及其对应的导引向量计算轮廓信号空间功率谱；(8)通过谱峰搜索获得波达方向估计结果。本发明充分利用了互质阵列的大阵列孔径特性和压缩感知技术，在降低计算复杂度的同时实现高精度的波达方向估计，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，具体是一种基于互质阵列接收信号压缩感知的高精度波达方向估计方法，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，并通过现代信号处理技术和各类优化方法实现对接收信号统计量进行有效处理，以实现信号的DOA估计，在雷达、声呐、语音、无线通信等领域有着重要的应用价值。

估计精度是DOA估计性能的一个重要衡量指标，高精度的估计结果不但能够为实际系统提供有效的来波信号方向信息，更能够通过点对点的精确传输节省整体系统开销。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，且阵元间的间距需要满足小于等于半波长的条件以避免相位模糊问题。由于DOA估计的精度与阵列孔径成正比，为了提高估计精度，传统方法需要通过增加天线阵元个数以扩展阵列孔径，造成了整体系统在计算复杂度和硬件复杂度上的增加。因此，现有DOA估计方法在精度性能与计算复杂度之间存在着一定的利弊权衡问题。

相对于均匀线性阵列，稀疏阵列能够利用相同个数的天线获得更大的阵列孔径，互质阵列就是最新的一种代表性稀疏阵列结构。互质阵列是互质采样技术在空间域上的一个表现形式，提供了一个系统性的天线阵列架构方案。现有的基于互质阵列的DOA估计方法主要包含两种方案思路：(1)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进行DOA估计；(2)将非均匀的互质阵列分解为一对稀疏均匀子阵，先通过两个子阵分别估计，再利用质数的性质得到唯一的估计值。注意到现有方法均需要寻找一个等价的均匀线性阵列来实现信号处理，且信号处理过程的计算复杂度较高。在实际应用中，我们希望用较低的计算复杂度实现高精度的估计。

压缩感知技术能够突破奈奎斯特采样频率的限制，实现欠采样信号的有效恢复，从而有效降低计算复杂度。但是该技术目前在互质阵列DOA估计中的应用主要集中于等价虚拟阵列上的信号恢复与协方差矩阵稀疏重建，但是这些方法未充分利用非均匀互质阵列的接收信号信息，且计算效率仍具有提升的空间。

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，提出一种基于压缩感知的互质阵列高精度波达方向估计方法，在降低计算复杂度的情况下，充分利用互质阵列的大阵列孔径特性实现高精度的DOA估计，从而有效降低在实际系统应用过程中的计算复杂度与硬件复杂度，提高整体系统效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于压缩感知的互质阵列高精度波达方向估计方法，该方法包含以下步骤：

(1)接收端使用M+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；

(2)利用互质阵列接收D个远场窄带非相干信号源的入射信号，得到(M+N-1)×1维互质阵列接收信号x(k)，共采集K个采样快拍得到X＝[x(1),x(2),…,x(K)]；

(3)构造一个压缩感知核Φ：Φ是一个Q×(M+N-1)维矩阵；其中Q为压缩系数，满足Q<<M+N-1且Q>D；Φ中的元素随机生成，且满足行正交的条件；