[发明专利]一种多径信号波达方向和扩散角快速估计新方法

说明书

本发明公开了一种多径信号波达方向和扩散角快速估计新方法，具体包括：构建阵列输出信号的分布源模型，有效解决点源模型下波达方向估计精度低的问题；通过噪声子空间构建二维空间谱，在所述二维空间谱进行分布源波达方向和扩散角的估计；采用单峰共轭对称函数对分布源的确定性角信号密度函数进行描述，并结合小角度近似理论，重建均匀线性阵列的广义阵列流形，实现波达方向和扩散角的分离；构建二次优化函数，得到波达方向的一维空间谱，通过该一维空间谱获得波达方向估计；获取扩散角的一维空间谱，通过该一维空间谱获得扩散角估计。本发明提升了算法可靠性，降低了算法的计算复杂度，能够适应于对实时性要求较高的无线电监测与定位场景。

技术领域

本发明涉及被动无线电监测和定位领域，具体涉及一种多径信号波达方向和扩散角快速估计新方法。

背景技术

阵列信号处理技术的开端可以追溯到20世纪40年代应用锁相环进行天线跟踪的自适应天线技术。1965年，Howells所提出的自适应陷波旁瓣对消器为阵列信号处理开辟了全新的研究方向。与传统的单传感器信号处理相比，阵列信号具有抗干扰能力强、波束控制灵活、信号增益大以及空间分辨高等优点。因此，20世纪70年代以来，阵列信号处理在无线通信、智能会议系统、地震勘探、无线天文学、机器状态监视与故障诊断等民用领域以及声纳、雷达等军事领域都有着广泛的应用。作为阵列信号处理的核心技术与方法，基于阵列输出信号特征子空间的波达方向(DOA，Direction ofArrival)估计方法能够实现目标信源波达方向的超分辨率估计而被广泛应用。

针对超分辨率波达方向估计问题的研究，一般假设阵列接收信号由点目标信源辐射而来。当目标的辐射面小于阵列的分辨率时，空间中目标信源的物理尺寸可以忽略不计进而抽象成一个几何意义上的点，因此可以认为是点目标信源(简称：点源)，信号的点源模型如图1所示。经典的波达方向估计算法大多假设信源与观测阵列之间存在视距传播且直射波信号强度较大，因此点源模型能够有效逼近信号的实际传播环境，此时点源作为一种合理的假设，极大简化了DOA估计的复杂性。

然而，点源只是一种数学上的假设，在实际应用中是不可能存在的，真实的目标信源辐射面总是具有一定的尺寸。此外，随着科学技术的不断发展，空间电磁环境变得越来越复杂，加之人类社会的飞速进步，高层建筑的数量呈几何级数增长。如图2所示，这种环境下无线电信号传播过程中散射、反射或衍射等引起的多径效应使传感器阵列接收信号的能量在空间某一范围呈现一定的分散性。此时的信号源被称作分布式信源(简称：分布源)，其辐射的信号也被称作分布源信号。分布源模型如图3所示，点源信号模型并不适用于此类情况，这将导致基于点源假设的超分辨率波达方向估计算法失效。针对上述信号多径传播引起的原信号扩散问题，分布源模型通常用中心波达方向和扩散角两个参数描述信号源的空间分布情况：分布源的能量集中在以中心波达方向为中心，以扩散角为半径的空间区域内。

随着科技的不断进步，波达方向估计方法日臻完善，大量高精度高分辨率的估计方法被提出。但这些方法大多建立在经典点信源模型基础上，即常常假定待估计的信号是窄带的，满足信号带宽的倒数大于波阵面掠过阵列空间所需的时间。这个假设在大多数情况下是适用的。但近年来研究发现，由于空间电磁环境越来越复杂、地面建筑越来越高大密集，从待估计信号源到达接收传感器阵列常常不存在直达信号，而是经过反射和折射后以多径的形式到达接收阵列。因此，在这种情况下，不考虑待估计的目标信源物理尺寸，仅将其抽象为一个几何意义上的点将会很大程度上降低参数估计的精度，在此基础上，分布式信源的概念被提出并成功应用到波达方向估计当中。

针对阵列信号处理中的分布源情况，以特征子空间技术为基础方法虽然能够实现波达方向和扩散角的估计，但是需要进行二维谱峰搜索，因此在保证参数估计精度不变的前提下，计算复杂度呈几何级数增加，严重影响了算法的实时性，因此在实际应用中受到极大的限制。

发明内容

为克服现有波达方向估计方法在无线电波传播过程中由于遮挡、反射甚至折射引起的多径效应使目标信源波达方向和扩散角估计计算复杂度较高的问题，本发明提供了一种多径信号波达方向和扩散角快速估计新方法，具体包括：