[发明专利]一种基于信号非圆特性的分步秩损远近场参数估计算法

权利要求书

1.一种基于信号非圆特性的分步秩损远近场参数估计算法，其特征在于，包括步骤：

S1.根据阵列观测数据，构造扩展数据矢量z(t)；

阵列接收模型包括：

一中心对称的均匀线阵，包括M＝2N+1个全向传感器，所述M个阵元的间距d为λ/4，其中，λ为入射信号的波长；

K个独立窄带信号，包括：

K₁个从(θ_k，r_k)入射到所述线阵的近场信号s_N,k(t),k＝1,…,K₁；

K₂＝K-K₁个从(θ_k，∞)入射到所述线阵的远场信号s_F,k(t),k＝K₁+1,…,K；

设定线阵中心参考点，对M个阵元进行L次同步采样，在l时刻，该线阵的输出矢量x(l)表示为

x(l)＝As(l)+n(l)＝A_Ns_N(l)+A_FS_F(l)+n(l)

该线阵的输出矢量x(l)即为阵列观测数据；

其中，x(l)＝[x_-N(l),…,x₀(l),…,x_N(l)]^T；

A＝[A_N,A_F]；

A_N为近场信号阵列流型矩阵，表达式为其中γ_k＝-2πdsinθ_k/λ，χ_k＝πd²cos²θ_k/(λr_k)；

A_F为远场信号的阵列流型矩阵，表达式为其中，

s_N(l)表示近场信号矢量，其表达式为：

s_F(l)表示远场信号矢量，其表达式为：

n(l)＝[n_N(l),…,n₀(l),…,n_N(l)]^T为均值为0，方差为σ²的加性高斯噪声矢量；

考虑入射信号为非圆信号，所述近场信号矢量又表示为其中s_o,k(t)为s_k(l)对应的零初相的实信号，对角矩阵ψ_k/2为信号s_k(l)的的任意初相；

考虑入射信号为非圆信号，所述远场信号矢量s_F(l)又表示为其中s_o,K(t)为s_k(l)对应的零初相的实信号，对角矩阵ψ_k/2为信号s_k(l)的的任意初相；

根据阵列观测数据x(l)及其共轭形式x^*(l)，构造扩展数据矢量z(l)：

A_eN和A_eF分别定义为近场和远场的扩展阵列流型矩阵，其中

A_e＝[A_eN A_eF] (7)

根据公式(4)和(6)，A_e的导向矢量a_e可表示为

k＝1,2,...,K,r_k∈[0.62(D³/λ)^1/2,+∞]；

S2.计算所述扩展数据矢量z(t)的协方差矩阵R：

其中，为关于近场的阵列观测数据的协方差矩阵；

为关于远场的阵列观测数据的协方差矩阵；

为近场信号的协方差矩阵；

为远场信号的协方差矩阵；

为阵元噪声功率，I_2M为2M×2M的单位矩阵；

S3.对所述协方差矩阵R进行特征分解，得到其噪声子空间U_n；

对所述协方差矩阵R进行特征分解为：

其中，Λ_s为由K个大特征值组成的对角阵；

Λ_n为由剩余2M-K个小特征值组成的对角阵；

2M×K的U_s为大特征值对应的特征向量张成的信号子空间；

2M×(2M-K)的U_n为小特征值对应的特征矢量张成的噪声子空间；

S4.解耦阵列导向矢量

由于阵列是关于0阵元中心对称，公式(9)中的距离参数有如下性质：

那么公式(9)可解耦成两个部分如下：

其中

Π_N为N×N的反单位矩阵，

S5.构造一谱函数p(θ)，所述谱函数p(θ)只与角度参数有关；

在范围内，一维搜索得到所有远近场信号的测向角θ_k(k＝1,…,K)；

通过秩损原理来得到所有远近场的角度值：

基于与a_e(θ_k,r_k,ψ_k)正交原理，构造了如下谱函数：

通过将a(θ_k,r_k)解耦来构造两个一维的谱估计器来得到远近场信号的角度和距离；

结合公式(13)，对于待估参数(θ_k,r_k,ψ_k)，(12)可重新表示：

其中

由于ζ(θ_k,r_k)≠0和ι(ψ_k)≠0，基于秩损原理，定义一个只与角度有关的谱函数如下：

当θ不等于真实角度时，矩阵是满秩的，只有当θ等于真实角时，矩阵会出现秩损；通过在范围内进行一维搜索就可以得到所有K个远近场的角度估计值；当远场信号与近场信号具有相同的入射角度时，得到K′个角度估计值，且K′≤K；

S6.根据已得到的测向角构造K个谱函数

在r∈[0.62(D³/λ)^1/2,30D²/λ]范围内，一维搜索得到K个距离估计值r_k(k＝1,…,K)；

基于秩损原理得到所有远近场信号的距离值：

将式(23)得到的角度估计值代入到式(22)中，再一次基于秩损原理可构造出K个谱函数：

给定角度估计值通过在r∈[0.62(D³/λ)^1/2,30D²/λ]，D为阵列孔径范围内进行K次一维搜索，即得到相应的距离估计值；

S7.根据所述距离估计值，区分出远近场信号的类型:

当所述距离估计值位于[0.62(D³/λ)^1/2,2D²/λ]范围内时，则所述信号为近场信号；

当所述距离估计值位于[2D²/λ,30D²/λ]范围内时，则所述信号为远场信号。

2.如权利要求1所述的一种基于信号非圆特性的分步秩损远近场参数估计算法，其特征在于，步骤S7中，根据步骤S6中得到距离估计值，以2D²/λ为界，区分出远近场信号的类型：

当所述距离估计值位于[0.62(D³/λ)^1/2,2D²/λ]范围内时，则所述信号为近场信号；

当所述距离估计值位于[2D²/λ,30D²/λ]范围内时，则所述信号为远场信号。