[发明专利]一种基于指向性模型数值求解的远场窄带信号来波方向估计方法

说明书

本发明公开了一种基于指向性模型数值求解的远场窄带信号来波方向估计方法，该方法包括：第一步：获取M通道阵元数据x₁(n),x₂(n),…,x_M(n)；第二步：根据给定的阵列参数自动生成等余弦间隔的预引导波束扫描角θ_k和总的预引导波束个数K；第三步：对已知频率f₀的远场窄带信号进行频域波束形成，并求得该已知频率远场窄带信号的各预引导波束扫描角所对应的波束功率谱P(θ_k)；第四步：搜索波束功率谱P(θ_k)最大值所对应的预引导波束号k_p；第五步：利用二分数值求解法求解信号来波方向相对偏差第六步，利用估计远场窄带信号的来波方向。该算法基于常规波束形成，实现简单，运算量小，且估计精度高，适用于实时的工程应用场合。

技术领域

本发明属于信号处理领域，尤其涉及一种基于指向性模型数值求解的远场窄带信号来波方向估计方法。

背景技术

目标来波方向估计是雷达、声纳、声学、语音和无线通信等阵列信号处理应用中的一个基本问题，尤其在水声和电子侦察处理中扮演了极其重要的角色。此外，在现代移动通信系统中，来波方向估计在提高无线系统性方面有着重要应用。

目前国内外学者提出了很多目标来波方向估计方法，如最小方差无失真响应、基于特征向量的来波方向估计算法(如MUSIC、Root-MUSIC、RV-Root-MUSIC)。这些算法通常能达到很高的精度。然而，这些基于峰值搜索的算法需要很大的计算复杂度。此外还存在着估计性能低、复杂度高和相位模糊等问题。同时，这些算法对信号失配非常敏感。

在波束形成方法中，常规波束形成是最常用的一种非自适应波束形成方法。常规波束形成使用一组固定的加权和时间延迟对来自阵列中传感器的信号进行组合叠加，这个叠加过程主要是使用关于传感器在空间中的位置和感兴趣的信号方向的信息。常规波束形成的优点是它对假定的和实际的信号波前之间的信号失配具有较强的鲁棒性，并且只需要少量样本即可稳健地估计目标来波方向，易于实现，因此在单目标场景中有着较好的性能。目前基于常规波束形成的来波方向估计方法主要有：峰值搜索算法和抛物线插值算法。

谱峰搜索法利用常规波束形成结果使角谱最大化，并返回M个最大值的位置作为M个目标的来波方向估计。谱峰搜索法对于白噪声中单个远场、窄带和电源的来波方向估计而言，是已知的最佳地最大似然估计方法。谱峰搜索法的来波方向估计精度取决于预引导波束扫描角的扫描间隔。为了获得更高的估计精度，需要更多的预引导波束扫描角。然而，更多的预引导波束扫描角将带来更多的计算负担。此外，受方位估计瑞利极限的限制，仅通过增加预引导波束扫描角的个数是无法无限提高来波方向估计精度的。

抛物线插值算法是基于对主瓣角谱的抛物线拟合，易于实现。对于大多数目标的来波方向估计，估计精度较高。然而，对于某些来波方向，角谱的主瓣与抛物线模型不匹配，在这种情况下，来波方向估计精度下降。

发明内容

技术问题：本发明提出了一种利用给定均匀线阵的理论波束图的模型求解算法。该算法是基于二分法的数值解，采用二分法数值求解信号来波方向相对偏差从而精确地估计远场窄带信号的来波方向。由于采用的是理论波束模式模型，因此不存在模型失配。与抛物线插值算法相比，该算法对信号来波方向相对偏差具有更强的鲁棒性，并且具有更好的估计性能。

技术方案：本发明的一种基于指向性模型数值求解远场窄带信号来波方向估计方法，包括以下步骤：