[发明专利]一种基于L型嵌套阵的二维DOA估计方法及装置

说明书

本发明提出一种基于L型嵌套阵的二维DOA估计方法，包括：分别求出第一子阵接收信号的自相关矩阵和第一子阵虚拟优化阵接收信号的自相关矩阵；根据所述第一子阵虚拟优化阵对应的自相关矩阵求得俯仰角的估计值；根据所述俯仰角的估计值估计第一子阵的方向矩阵和入射信号的自相关矩阵；根据第一子阵、第二子阵的接收数据矢量以及第一子阵的方向矩阵和入射信号的自相关矩计算第二子阵方向矩阵的估计值；根据所述第二子阵方向矩阵的估计值求到得方位角的估计值。本发明使用嵌套阵的虚拟阵元来进行估计，相较于传统的基于L型均匀线阵(ULA)的估计算法，自由度得到了极大提升，并显著提高了DOA的估计性能。

技术领域

本发明属于无线通信和雷达信号处理技术领域，具体涉及一种基于L型嵌套阵的二维DOA估计方法及装置。

背景技术

波达方向(DOA)估计是天线阵列通过接收信号以特定的方法辨别空间信源的入射方向。该技术最早应用于军事领域，主要针对敌方目标进行定位并实施检测和精准打击。近年来，在雷达、声呐、导航、地震、生物医学、射电天文学等诸多领域有着广泛应用。

现有的DOA估计方法大多基于传统满阵，即天线阵列相邻阵元的间距不得超过入射信号的半波长。但是，满阵由于阵元间距的限制，若想增大阵列孔径、提升DOA估计精度和分辨率就必须增加阵元数目，因此，会造成系统过于复杂和系统成本的增加。鉴于传统满阵存在的上述问题，人们又提出了稀疏阵，即存在阵元间距大于半波长的阵列。与传统满阵相比，在阵元数目相同的情况下，稀疏阵拥有更大的阵列孔径以及更小的阵元互耦，提高了DOA估计精度、分辨率和最大可处理的信号数。另一方面，在阵列孔径相同的条件下，稀疏阵所需的阵元数更少，这意味着更小规模的接收系统和信号处理系统等，极大地降低了系统成本。

目前基于稀疏阵的DOA估计主要是一维DOA估计。但在实际应用中仅有一维DOA信息是远远不够的，例如：移动通信等数据传输的过程中往往需要知道入射信号方位角和俯仰角的二维DOA信息。现有的二维DOA估计方法大多是基于阵元间距等于半波长的简化面阵，如L形阵列、双平行线阵、十字形阵列等。其中，L型阵由于结构简单、更低的克拉美罗界以及更好的估计性能，得到了广泛关注和应用。如N.Tayem等人[N.Tayem,H.M.Kwon.L-shape 2-dimensional arrival angle estimation with propagator method,IEEETransactions on Antennas and Propagation.53(5)(2005)1622-1630.]利用L型阵列，采用修MPM(modified propagate method)算法实现了二维DOA估计，但是该方法参数配对效果差，仅在高信噪比的环境下才具有较好的估计性能；J.-F.Gu等人[J.-F.Gu,P.Wei.JointSVD oftwo cross-correlation matrices to achieve automatic pairing in 2-Dangle estimation problems.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters.6(2007)553-556.]提出了基于L型均匀线阵的JSVD(joint singular valuedecomposition)算法，通过对互相关矩阵进行奇异值分解，消除了加性噪声的影响，提升了估计性能，同时提高了二维角度的配对成功率；S.O.Al-Jazzar等人[S.O.Al-Jazzar,D.C.MeLernon,M.A.Smadi.SVD-based joint azimuth/elevation estimation withautomatic pairing.Signal Process.90(5)(2010)1669-1675.]同样通过奇异值分解的方式实现了二维角度的估计和自动配对。目前，基于L型线阵的二维DOA估计存在以下缺点：DOA估计的自由度受到阵列结构的限制，导致了较差的估计性能；大多需要额外的配对算法，少数自动配对算法配对成功率较低；谱峰搜索带来了巨大计算量，计算复杂度较高；估计精度和分辨率较低等等。所以利用稀疏阵的特殊结构将其引入到二维DOA估计具有很好的发展前景与实用价值，也是当前研究的热点与难点。