[发明专利]一种基于均匀圆阵差分相位的单分布源DOA估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及阵列信号处理技术领域，尤其涉及对无线信号源的DOA估计，特别涉及一种基于均匀圆阵差分相位的单分布源DOA估计方法。

背景技术

在雷达、声纳和移动通信等应用领域中，发射的信号时常会受到复杂环境散射和反射等影响，使得天线阵列接收到的信号能量在空间某一范围呈现一定分布。此时，基于点源模型假设的传统波达方向(direction of arrival，简记为DOA)估计算法性能会严重恶化，而需要采用参数化的分布式信源模型进行处理。根据同一信源不同路径分量是否相关，分布源主要包括两类：相干分布源(coherently distributed source,简记为CD)和非相干分布源(incoherently distributed source,简记为ID)。对于CD源，同一信源不同路径分量仅相差一个固定的相位延迟和幅度加权；与之相反，同一ID源的不同路径分量则完全不相关。

近年来，分布源的DOA估计研究得到了广泛关注，相关学者陆续提出了一系列有效的估计方法，比如子空间类方法、波束形成类方法、最大似然类方法和稀疏重构类方法等。然而这些方法均只适用于一维分布源，在实际应用中，信号源与接收阵列往往不在同一平面上，这种情况下需要将其建立为一个二维分布源模型。一个二维分布源主要包括四个未知角度参数：中心方位角，方位角扩展，中心俯仰角和俯仰角扩展。尽管上述的某些一维估计方法可以直接推广到二维，如二维协方差匹配方法等，这些方法由于需要多维参数搜索复杂度较高。为解决此类问题，相关学者基于一些特定的阵列结构研究了分布源的近似简化模型，并提出了一些低复杂度的二维DOA估计方法，如基于三平行线阵的二维传播算子方法，基于矩形阵的二维旋转不变子空间(rotation invariant subspace，简记为ESPRIT)方法和基于对称十字阵的二维广义ESPRIT方法等。

特别地，均匀圆阵(uniform circular array，简记为UCA)相比于其他阵列结构具有的全方位角覆盖、几乎不变的方向图以及额外的俯仰角信息等优点，基于UCA的分布源二维DOA估计成为了研究热点。现有的研究成果有：有学者首次基于空间距离相近的两个UCA，提出了一种估计二维CD源DOA的一维交替搜索(sequential one-dimensional searching，简记为SOS)方法，该方法首先基于一阶泰勒(Taylor)级数展开得到两个子阵间的近似旋转不变关系，接下来利用总体最小二乘旋转不变子空间(total least squares rotation invariant subspace，简记为TLS-ESPRIT)算法得到中心俯仰角估计，最后通过多次一维搜索得到中心方位角估计。该方法只需要一维搜索，但俯仰角的初始估计精度对算法性能影响较大，并且靠地很近的两个子阵容易产生互耦误差，降低了估计精度。在此基础上，有学者仅利用单个对称UCA，提出了一种基于广义ESPRIT的二维DOA估计方法，该方法无须角信号分布函数先验已知，但需要二维搜索，复杂度较高。然而这些方法都是针对CD源的研究，而对于UCA中的ID源二维DOA估计问题，相关学者也取得了一些研究成果。有学者同样基于靠地很近的两个UCA，首先根据子阵间的近似旋转不变关系得到中心俯仰角估计，进而在单个UCA中，通过广义多重信号分类(generalized multiple signal classification,简记为GMUSIC)方法实现了中心方位角估计。进一步，有学者考虑由多个UCA组成的均匀圆柱阵列(uniform cylindrical array,简记为UCyA)，提出了一种低复杂的波束空间二维DOA估计方法，该方法估计中心俯仰角的方法与上述GMUSIC方法类似，但是在波束域进行计算，并且通过波束域GMUSIC(beamspace GMUSIC,简记为BS-GMUSIC)方法得到了中心方位角估计，具有较低的计算复杂度。尽管如此，在上述方法中，复杂度较高的谱峰搜索和特征值分解运算依旧无法避免，所以复杂度仍有待降低。此外，SOS、GMUSIC和BS-GMUSIC方法均需要多个UCA，阵列结构的硬件复杂度较高，不利于工程实践。

发明内容

针对DOA估计存在的问题，本发明针对单个分布源入射的情况，提出了一种基于均匀圆阵差分相位的单分布源DOA估计方法，通过最小二乘方法直接得到二维DOA的闭式解，避免了谱峰搜索和特征值分解运算，降低了复杂度。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于均匀圆阵差分相位的单分布源DOA估计方法，包括以下步骤：