[发明专利]一种基于精确传播模型的空时三维近场源定位方法

权利要求书

1.一种基于精确传播模型的空时三维近场源定位方法，其特征在于：该方法包括下列步骤:

S1、建立一个十字交叉阵列接收模型，在十字交叉阵列接收模型中建立三维直角坐标系，所述十字交叉阵列接收模型由位于X轴上的均匀线阵和位于Y轴上的均匀线阵组成；所述X轴的均匀线阵包含M＝2P+1个阵元，所述Y轴上的每一个线阵均包括M＝2P+1个阵元，P表示单边阵元数，位于坐标原点处的阵元作为参考阵元，阵元与阵元之间的间距设定为d＝λ/4，λ表示入射信号的波长；

S2、在三维直角坐标系中，设定存在K个近场目标，第k个近场目标S_k以电角{α_k,β_k}和距离r_k入射到十字交叉阵列接收模型上，其中，k表示信源个数，k＝1,2,…,K；设定第k个信源与位于X轴的(l,0)处的阵元距离为r_x,l,k，其中l＝-m,...,0,...m，则第k个信源到达位于X轴的(l,0)处的阵元的振幅相位因子为：其中，γ_x,l,k表示第k个信源与位于X轴的(l,0)处的阵元的振幅因子，τ_x,l,k表示第k个信源与位于阵列X轴(l,0)处的阵元的传播时延导致的相位因子，利用菲涅尔近似，得到τ_x,l,k≈lω_xk+l²μ_xk，设定第k个信源与位于Y轴的(0,l)处的阵元距离为r_y,l,k，其中l＝-m,...,0,...m，则得到第k个信源到达位于Y轴的(0,l)处的阵元的振幅相位因子为其中，γ_y,l,k表示第k个信源与位于Y轴的(0,l)处的阵元的振幅因子；τ_y,l,k表示第k个信源与位于阵列Y轴(0,l)处的阵元的传播时延导致的相位因子，利用菲涅尔近似，得到τ_y,l,k≈lω_yk+l²μ_yk，

S3、根据步骤S2得到的第k个信源到达位于X轴的(l,0)处的阵元的振幅相位因子a_l(α_k,r_k)，得到位于X轴的(l,0)处的阵元的接收数据模型其中，s_k(t)表示第k个近场目标的入射信号，n_l,0(t)表示均值为0、方差为σ²的独立复加性高斯噪声，t＝1,2,...,N,N表示第N次快拍；根据步骤S2得到的第k个信源到达位于Y轴的(0,l)处的阵元的振幅相位因子a_l(β_k,r_k)，得到位于Y轴的(0,l)处的阵元的接收数据模型为：其中，s_k(t)表示第k个近场目标的入射信号，n_0,l(t)表示均值为0、方差为σ²的独立复加性高斯噪声；

S4、将步骤S3中得到的位于X轴的(l,0)处的阵元的接收数据模型z_l,0(t)扩展到整个X轴的阵元上，得到整个X轴的阵元的接收数据模型z_x(t)；将步骤S3中得到的位于Y轴的(0,l)处的阵元的接收数据模型扩展到整个Y轴的阵元上，得到整个Y轴的阵元的接收数据模型z_y(t)，将所述接收数据模型z_x(t)和所述接收数据模型z_y(t)分别通过多块拍采样扩展为矩阵形式，即Z_x和Z_y；

S5、设定时延为τ的零均值四阶交叉累积量信号为x，x＝{x_m(t),x_n(t),x_p(t),x_q(t)}，其中，x_m(t)，x_n(t),x_p(t)，x_q(t)分别表示位于m,n,p,q四个不同位置的阵元的接收数据；将零均值四阶交叉累积量信号定义为：

S6、根据步骤S5中定义的四阶交叉累积量信号，在X轴和Y轴上分别选取{-m,0},{m,0},{0,1},{0,-1}处的接收信号来构成实际的交叉累积量其中，z_m,0(t)，z_0,-1(t)分别表示位于(-m,0),(m,0),(0,1),(0,-1)处的阵元的实际接收数据；根据步骤S5定义的零均值四阶交叉累积量信号c_4x(τ)，得到交叉累积量c_4m,n(τ)表示为：同理，得到在X轴和Y轴上分别选取{-m,0},{m,0},{0,-1},{0,1}处的接收信号构成的实际的交叉累积量：其中，表示信号延迟τ后的四阶累积量，

S7、根据步骤S6构成的交叉累积量c_4m,n(τ)，分别在X轴和Y的所有阵元上获取累积量矩阵，得到其矩阵形式为：其中，A＝[a(ω_1x),...,a(ω_Kx)]表示虚拟接收数据的导向矢量，k＝1,2,…,K，c_s(τ)表示累积量域的虚拟信号矢量，

S8、对步骤S7中得到的累积量矩阵c_x(τ)和c_y(τ)分别以伪快拍N进行均匀采样，得到两个累积量矩阵：其中，C_s＝[c_s(T_s),c_s(2T_s),...,c_s(NT_s)]，R_s表示经过N次伪快拍采样后的累积量域虚拟信号矩阵，T_s为采样周期；

S9、由步骤S8得到的两个累积量矩阵C_x和C_y之间存在旋转不变因子Φ,采用DOA矩阵法，定义新矩阵其中，[·]^-表示伪逆，的非零特征值等于Φ主对角线上的K个元素，对应的特征向量等于流型矩阵A的K列,即电角β的估计值从的特征值的相位ω_xk中获得，即电角α的估计值从的特征向量中获得，即且由于特征值和特征向量是一一对应的，电角α和β可以自动配对；

S10、根据步骤S9中获得的电角α得到距离的谱峰函数P_MUSIC。