[发明专利]基于平面互质阵列块采样张量信号构造的自由度增强型空间谱估计方法

说明书

本发明公开了一种基于平面互质阵列块采样张量信号构造的自由度增强型空间谱估计方法，主要解决现有方法中信号多维信息丢失和自由度受限问题，其实现步骤是：构建平面互质阵列；平面互质阵列块采样信号张量建模；推导基于块采样张量信号互相关统计量的虚拟域等价信号；获取虚拟域均匀面阵的块采样等价接收信号；构造三维块采样虚拟域张量信号及其四阶自相关张量；构造基于虚拟域四阶自相关张量分解的信号与噪声子空间；自由度增强型张量空间谱估计。本发明基于块采样方式构造平面互质阵列张量信号，并推导虚拟域等价张量信号，进而通过四阶自相关张量中信号与噪声子空间特征的提取，实现自由度增强的张量空间谱估计，可用于无源探测与定位。

技术领域

本发明属于阵列信号处理技术领域，尤其涉及基于平面互质阵列张量信号建模与统计处理的空间谱估计技术，具体是一种基于平面互质阵列块采样张量信号构造的自由度增强型空间谱估计方法，可用于无源探测与定位。

背景技术

平面互质阵列作为一种具有系统化架构的二维稀疏阵列，具有大孔径、高自由度的特点，能够实现高精度、高分辨的空间谱估计；与此同时，通过构造二维虚拟域并基于二阶虚拟域统计量进行处理，能够有效提升信号源空间分辨的自由度。传统的空间谱估计方法通常将具有二维空间结构信息的入射信号用矢量进行表示，以时间平均的方式计算多采样信号的二阶统计量，进而通过矢量化推导虚拟域二阶等价信号，并通过空间平滑的手段解决单快拍虚拟域信号协方差矩阵的秩亏问题以构造空间谱。然而，一方面，以矢量方式表示的平面互质阵列接收信号及其虚拟域二阶等价信号不仅丢失了原始信号的多维空间结构信息，且随着数据量增大，容易造成维度灾难；另一方面，基于单快拍虚拟域信号的空间谱函数构造引入了空间平滑的手段，对自由度性能造成了一定的损失。

为了解决上述问题，基于张量信号构造的空间谱估计方法开始受到关注。张量作为一种高维的数据结构，可以保存信号的原始多维信息；同时，高阶奇异值分解、张量分解等多维代数理论也为张量信号的多维特征提取提供了丰富的分析工具。因此，基于张量信号构造的空间谱估计方法能够充分利用平面互质阵列入射信号的多维空间结构信息。然而，现有方法仍然是基于实际接收张量信号进行处理，并没有利用平面互质阵列的二维虚拟域进行张量空间谱构造，且没有实现自由度性能的提升。

发明内容

本发明的目的在于针对上述平面互质阵列空间谱估计方法中存在的信号多维空间结构信息丢失和自由度损失问题，提出一种基于平面互质阵列块采样张量信号构造的自由度增强型空间谱估计方法，为构建平面互质阵列块采样张量信号处理架构，实现欠定条件下的多信源张量空间谱估计提供了可行的思路和有效的解决方案。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于平面互质阵列块采样张量信号构造的自由度增强型空间谱估计方法，包含以下步骤：

(1)接收端使用4M_xM_y+N_xN_y-1个物理天线阵元，按照互质面阵的结构进行架构；其中，M_x、N_x以及M_y、N_y分别为一对互质整数，且M_xN_x，M_yN_y；该互质面阵可分解为两个稀疏均匀子阵列和

(2)假设有K个来自方向的远场窄带非相干信号源，取L个采样快拍作为一个块采样，记为T_r(r＝1,2,…,R)，R为块采样个数；每个块采样范围内，平面互质阵列稀疏子阵列的接收信号可用一个三维张量信号表示为：

其中，s_k＝[s_k,1,s_k,2,…,s_k,L]^T为对应第k个入射信源的多快拍采样信号波形，[·]^T表示转置操作，表示矢量外积，为与各信号源相互独立的噪声张量，和分别为在x轴和y轴方向上的导引矢量，对应于来波方向为的信号源，表示为：