[发明专利]一种均匀圆阵二维波达方向快速估计方法

说明书

技术领域

本发明属于波达方向/空间谱估计技术领域，涉及一种均匀圆阵二维波达方向快速估计方法。

背景技术

空间信号的二维波达方向(2D DoA，2-Dimention Direction-of-Arrival)估计，或者称为二维空间谱(Spatial Spectrum)估计技术，是在一维DoA估计技术的基础上发展而来的，具有较大的实用价值。利用相控阵列，结合先进的DoA估计技术对空间目标进行定位，已经在雷达、声纳、气象预测、天文观测等领域有着大量应用。新一代宽带无线通信系统，如4G/5G，利用“智能天线”来准确估计用户的方向，从而利用波束成形技术生成窄的无线波束与之通信，能有效降低系统能耗，从而提高系统容量。此外在地震源的确定，射线断层成像等都需要用到DoA估计技术。由于均匀圆阵((UCA，Uniform Circular Array)能提供方位角和俯仰角上的2D DoA分辨能力，而且由于它具有的圆对称性，沿360度方位角方向上的分辨能力基本相同，因此得到了大量的应用和研究。基于UCA的2D DoA估计研究一直是DoA估计领域的重点和热点内容，要求估计结果有着较高的可靠性的，即估计结果要求准确；又需要估计过程具有高效性，即估计速度要求足够快，便于实时系统的实现；此外，若实际的平面阵列是其它不规则平面阵列，DoA估计算法还要能正常工作，即估计算法具有扩展性。

传统的DoA估计方法利用较窄的无线电波对目标空间进行扫描，然后接收回波信号并进行处理。若空间中某个方向上的接收能量较大(电波反射)，例如通过匹配滤波，就可确定该方向上有空间目标，也即估计出该回波的DoA。这种估计方法一般称为Bartlett波束形成法，其空间分辨率受瑞利限限制，即不能分辨出同一个波束宽度内的多个空间目标；而后基于最小方差无畸变响应(MVDR，Minimum Variance Distortionless Response)原理的Capon算法或者最大熵法(MEM，Maximum Entropy Method)取得了高于瑞利限的空间分辨能力，称为高分辨率空间谱估计算法；而由多重信号分类(MUSIC，Multiple Signal Classification)算法，利用旋转不变技术估计信号参数(ESPRIT，Estimation of Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques，)算法以及最大似然(ML，Maximum Likelihood)算法为代表的超分辨率DoA估计算法在DoA估计领域内具有里程碑的意义。通过这些算法，可以获得针状的空间谱估计，空间分辨能力获得数量级的提升，因此超分辨率DoA估计算法获得了大量的关注和研究。

一般来讲，ML类DoA估计算法估计精度高，均方误差小，但要涉及高维参数搜素，运算量较大；虽然有牛顿法，准牛顿法，交替迭代法等优化方法，但容易获得局部最优解，并且运算量仍然较高；MUSIC类算法可以普遍适用于各种结构阵列，因此也能用于圆阵的DoA估计，但对于2D DoA估计，MUSIC方法需要进行二维角度搜索，运算量也相当大，不利于实时系统；经典ESPRIT算法基于代数形式的解，运算效率最高，但要求阵列具有移不变结构，因此限制了该算法的应用范围。对于均匀圆阵，可以利用圆对称性质对圆阵的流行矢量进行Jacobi-Anger展开，从而在相位模式空间中得到RB(Real Beamspace)-ROOT-MUSIC、UCA-ESPRIT以及UCA-RARE(Rank Reduction)等快速DoA估计算法。但这些算法在展开式的基础上进行模式截取，引入截断误差，因此得到的DoA估计结果是有偏差的。为减少估计偏差，需要增加模式，这样又导致了运算量的增加。此外，适用于UCA的快速DoA估计算法不适用于其他不规则平面阵列，不具有扩展性。

因此，设计一种能适用于UCA，也能扩展适用于其它非规则平面阵列，并且能够获得统计无偏的估计结果的2D DoA快速估计算法，就具有较大的理论和工程实际价值。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种二维波达方向快速估计方法，适用于均匀圆阵，也可适用于其它平面非规则阵列，例如阵元不均匀间隔圆阵，椭圆阵等。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种均匀圆阵二维波达方向快速估计方法，该方法包括以下步骤：

S1：由均匀圆阵的阵元位置坐标构造一个十字正交虚拟参考阵列；

S2：将二维角度参数空间均匀划分成多个网格，确定每个网格的中心方向；