基于稀疏近似最小方差的宽带doa估计算法-张翔宇.pdf
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1、第40卷第1期2018年1月现代雷达Modem RadarV0140 No1Jan2018信号处理DOI:1016592jcnki10047859201801007基于稀疏近似最小方差的宽带DOA估计算法张翔宇1,孙 俊12,曹欣荣12,吴久涛12,陈亚伟12(1南京电子技术研究所, 南京210039)(2中国电子科技集团公司智能感知重点实验室, 南京210039)摘要:提出了一种基于稀疏近似最小方差的宽带波达方向(DOA)估计算法,有效解决当前宽带波达方向估计方法分辨率较低、相干干扰条件下DOA估计误差大等问题。该算法在空域稀疏模型的基础上利用宽带相干信号子空间算法,将宽带信号聚焦到固定频点
2、处,再以近似最小方差准则进行迭代,实现高分辨DOA估计。该算法得到的空间谱具有稀疏度高和副瓣低的特点,且与CSM算法相比无需任何先验信息。通过仿真计算表明,该算法的方位分辨能力较宽带传统DOA估计算法提升30,并具有分辨相干信号能力。通过某海试实测数据处理得到的时间历程图有效验证该算法性能。关键词:波达方向估计;稀疏谱;宽带聚焦;相干干扰中图分类号:TN95752 文献标志码:A 文章编号:10047859(2018)01003006Wideband Signal DOA Estimation Based onSparse Asymptotic Minimum VarianceZHANG Xi
3、angyul,SUN Junl”,CAO Xinron91”,WU Jiuta01,CHEN Yaweil-2(1Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039,China)(2Key Laboratory of IntelliSence Technology,CETC。 Nanjing 210039,China)Abstract:A wideband signals directionof-arrival(DOA)algorithm based on sparse asymptotic minimum
4、v&riance(SAMV)is presented in this paper,which Can effectively improve spatial resolution and anticoherent-interference performanceBased on spatial sparsesignal model,the algorithm transforms wideband signal to narrowband,using coherent signal subspace method(CSM),and then iter-ates with asymptotic
5、minimum variance(AMV)approach to carry out higIlresoluition DOA estimationThe spatial spectrums implemented by this algorithm have the specialty of high sparse and extremely low side lobeWhatS more-the prior information isnt required in this algorithmComputer simulations show that,this method improv
6、es 30spatial resolution compared to traditional DOAalgorithm,and coherent interference resistanceBearingtime recording(BTR)results of a sea trial also demonstrate the efficiency ofthe algorithmKey words:direction of arrival estimation;sparse spectrum;wideband focusing;coherent interference0 引 言波达方向(
7、DOA)估计作为阵列信号处理的主要研究方向之一,广泛应用于声呐、雷达、通信、地质勘探等领域。经过70年的发展该领域已经形成了比较完善的理论体系,产生了大量的算法,其中最为代表的是分辨率突破瑞利限的Capon算法、MUSIC算法旧。和ESPRIT算法旧J。然而,现有DOA算法依然面临着临近目标分辨能力差、受相干干扰影响严重、宽带条件下估计性能不足等问题”1。近些年,稀疏信号理论的发展为DOA算法的发展提供了新思路。传统的稀疏信号重构算法1试图从基金项目:国家自然科学基金资助项目(00000000);国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2008AA000000)通信作者:张翔宇 Emai
8、l:zaehary2wave163com收稿日期:201710-10 修订日期:2017121430一观测数据y()=AS(t)+以(t)中恢复出稀疏信号,其中A是一个MxK的测量矩阵,M。显然该方程是一个欠定方程,具有无数个解,但是在测量矩阵A满足等距性约束条件下,该方程具有唯一解。在DOA估计中,信号总是来自空域中的某几个方向,即空域具有天然的稀疏特性,所以人们将稀疏理论运用在DOA估计中提出了稀疏类DOA估计算法。稀疏类DOA估计算法包含:稀疏重构类算法,稀疏协方差类算法,稀疏迭代类算法。以MFOCUSS算法6 J、z。一SVD算法一1为代表的稀疏重构类算法首先建立以阵列所接收到信号和空
9、间各网格导向矢量所组成的测量矩阵为基础的稀疏模型,再利用恢复算法使空间网格信号的f0范数、Z。范数最小,从而恢复得到信号网格功率,并得到目标方位估计。稀疏协方差类算法如稀疏谱拟合(SpSF)算法旧91,其思路基本与稀疏重构类算法保持一致,但是其利用基于阵列数据的协方差矩阵拟合误万方数据信号处理 张翔宇,等:基于稀疏近似最小方差的宽带DOA估计算法 2018,40(1)差的z。范数和信号功率的f0范数之和作为目标函数,相对于重构算法,计算复杂度有较为明显的降低。稀疏迭代算法如SPICE算法0111和SAMV算法2|,是利用采样协方差和估计协方差之间的关系,通过迭代的方法不停地逼近真实的协方差矩阵
10、,从而得到最优的空间谱和信号DOA。其中SAMV算法可以通过选择指数因子和迭代边界条件,来达到较好的空间谱估计效果,同时该算法具有空间稀疏度高、迭代过程简单、运算复杂度小等特点,相对于其他稀疏类算法具有较为明显的优势。现有的稀疏算法均建立在窄带信号模型上,然而随着科学技术的发展,宽带信号由于其特有的优势逐渐取代了窄带信号,被广泛利用在雷达、声呐等多个领域。宽带信号的DOA估计算法的主要思路是在信号频域,将宽带信号转化为窄带信号,然后利用窄带DOA估计算法进行DOA估计。转化的算法主要分为两大类:频域非相干子空间算法(ISM)算法p141和频域相干子空间类算法(CSM)516 J。ISM类算法将
11、宽频带分解成子频带,分别对每一个子频带来进行计算,最后对各子带进行加权求和,得到DOA估计结果;CSM算法提出“聚焦”的思想,即利用聚焦矩阵使得不同频率点的导向矢量聚焦在同一个频率点上,从而使得宽带信号变成窄带信号,再利用窄带DOA估计算法进行数据处理。由于CSM算法利用了全频带信息,所以算法性能明显优于ISM算法且具有解相干的能力,但是该算法需要先验信息,并受到先验信息的影响严重。针对宽带CSM算法分辨率较低、先验信息影响严重的问题,本文提出一种基于旋转不变子空间迭代稀疏近似最小方差算法,该算法宽带聚焦算法将宽带算法转化为窄带算法,并利用空域稀疏性,以近似最小方差为准则进行迭代,从而不断逼近
12、真实的DOA估计。通过仿真和实测数据验证,该算法可实现宽带条件下的稀疏谱高精度估计,分辨率较传统算法提高30。同时该算法无需任何先验信息,具有相干信号的抑制能力。1 数学模型假设空间中现有P个频带为厶。L的远场宽带信号,分别从p=0。,02,口。,入射到一个阵元的均匀线阵,阵列间距为d=,c为信号传输速度。均。纠max匀阵列对空间中K个感兴趣的方向-=蜴,蜴,依进行观测,该观测集合能尽可能的包含所有感兴趣信号的来波方向,且满足KP,即具有稀疏特性。整个观测周期内有个快拍,任意2个快拍之间的观测信号不相关。由于宽带阵列信号在频域处理更为方便,所以将个快拍进行FFT变换,得到个频点的窄带信号,其中
13、第i个频率点的数据可以表示为x)=A)S(f)+),(i=1,2,) (1)式中:x(f)=戈。),X2(f),菇)T表示元阵列接收到第i个子带的信号;S(f)=s。(工),s:),s)T表示来自K个观测方向的第i个子带的信号,满足P=E(s(工)S(,)“)=diag(p。,P:,PK),其中只有信号方向网格点的功率不为0,其余均为0;(,)=n。(Z),n:(Z),凡(Z)T表示阵列在频域所接收到的高斯白噪声,与信号相互独立。A)=口(0,),口(如),口(0K)是表示第i个信号子频带的阵列流形矩阵,口。(0。)=1,e2咖油阳“,eJ2畦fi(N-1)sin(0t1为频率,时0方向的导向
14、矢量。单个频率点x(工)的协方差矩阵为R=APAH+盯2J (2)通常情况下,单个频点的协方差矩阵估计往往在现实中是难以实现的,所以将多个频点划分为满足带宽和孔径渡越时间乘积远远小于1(即B下1)的子窄带来进行估计,用公式可以表示为1 M ,R=亩x)X)“ (3)r1但该方法在大带宽信号时计算量大,且子窄带中频点数目不好控制。频点过多往往造成比较大的误差,而频点过少则会造成协方差矩阵求逆奇异的问题。同时由于稀疏阵列信号处理往往需要将空间划分为大量网格,进一步增大了计算量,只有将宽频带转化为单频点上计算才可以有效地增加算法的效率,进行有效计算。2 宽带稀疏近似最小方差算法现有稀疏算法均针对窄带
15、条件提出,对于宽带信号由于信号不同频点所造成的相位延迟与时间延迟并不成线性关系,一般需要将宽带信号转化为窄带信号之后,再进行计算。通常使用的转换手段为分子频带的ISM算法和频率点聚焦的CSM算法。本文使用CSM算法,通过变换矩阵,将频带内不重叠的子频点上的信号聚焦到参考频率点,形成多个单一频点的样本数据,从而得到聚焦后的采样协方差矩阵,再利用SAMV算法进行有效DOA估计。21宽带聚焦DOA估计方法宽带聚焦算法的聚焦过程是将不同子频点的阵列流形矩阵乘以该频率下的聚焦矩阵而使其变换到固定频率点处。聚焦矩阵的构造是该类算法的核心问题。一3】一万方数据现代雷达本文利用旋转信号子空间(RSS)算法口7
16、|,构造可以使得子频点与目标频点的阵列流形矢量在Frobenius范数意义下差异最小的聚焦矩阵变换矩阵,即一厶,p)一riA,p)|I (4)【st r?丁。:J求解上式可以得到T。=V。u?,其中、V是对A(工,O)A“(fo,0)奇异值分解后的的左奇异矢量、右奇异矢量,0是预估的信号来向。聚焦之后的数据可以表示为赫(f)=r(f)x(,)=A(fo,0)S(,)+r(,) (5)此时宽带的协方差矩阵可表示为1 LR。=T1 XT(f)XT(Z)“ (6)以上方法求取聚焦矩阵时需要预估信号来向,仅对目标信号方向进行聚焦变换,存在二个方面的缺陷:(1)算法性能受到预估信号来向准确度的影响十分严
17、重,信号方向预估错误将造成信号信噪比大幅度损失。(2)在每次DOA估计时均需要进行聚焦,计算量较大。在稀疏类算法中,信号的来向可能来自于K个网格中的任意一个,需对所有网格进行聚焦,此时只需要一次计算就可以对多次DOA估计进行聚焦;其次,多网格聚焦可以有效减少由于错误预估所造成的误差。22近似最小方差算法窄带SAMV算法是基于近似最小方差原理提出的。假设阵列接收到的信号满足零均值严平稳的复信号,近似最小方差算法通过采样协方差矩阵来估计得到协方差矩阵的下界,从而渐进逼近真实的协方差矩阵。对阵列协方差矩阵矢量化之后可以得到vec(R)-P口(0I)n(0k)“+or2J=Ap(7)式中:vec(R)
18、是N21维的向量化后的协方差矩阵;A=ao,a1,一,aK,a是N2(K+I)维的观测矩阵,其中ai=a+(0i)o口(0i),o为Kronecker积;p=Pl,P:,PK,盯2是K+I维的网格稀疏功率向量。估计协方差矩阵的下界引为Cov(p)(SHCrS)。1 (8)式中:s:堕掣;Cr:R+oR。dP使得协方差逼近最小值可以由下式求解2一32一p三arg mi叭川 (9)畎芗)=Err(p)“cil;一r(p) 一解得的解为二_ o:|IR。RNRI仇2弋硒矿 +Pk一击(10)+一蕊五。川式中:P。为由采样协方差估计得到的信号功率,而P。为使得协方差矩阵达到渐进最优时的估计值。23稀疏
19、迭代近似最小方差算法在空域稀疏的模型下,空域被网格化之后,近似最小方差算法就可以对每一个网格的功率进行估计。由于近似最小方差在等式两边分别都有未知功率参数,可以利用迭代的方法来进行估计。即得到基于空域稀疏的迭代近似最小方差算法R=。蓍。pa(Ot)口(日t)“+盯2J 气+1)=誉船L瓢1PkPk (11)一(口:!I足。口。)2 n扭五:口。() Tr(R-2R)吼,2瓦丽根据LCMV算法可以得到孟i)2习i1磊,所以上式中的迭代可以化简为 s舢。:一=鬻,分别利用矗。2习H未-赢1 ,继续替换上式中的分母可以得到以下算法121 s删,:=觜(13)l口LlI口L JSAMV2:p:”=口I
20、H-1 RN足不O,k(p:)2 (14)根据文献12,SAMV0算法存在空间谱稀疏度不够,迭代次数过多等问题,综合考虑,本文只选择SAMVl算法、SAMV2算法。24宽带稀疏迭代近似最小方差算法在空域稀疏模型下,RSS-SAMV算法首先计算出全空域所有网格的导向矢量在不同频点下的聚焦矩阵,并利用不同频点下的聚焦矩阵对数据进行聚焦变换,从而得到聚焦之后窄带协方差矩阵;之后,利用稀疏近似最小方差算法对之前得到的协方差矩阵进行迭代计算,从而得到稀疏的空间谱。根据以上所述,本文算法整体流程图如图l所示。万方数据信号处理 张翔宇,等:基于稀疏近似24,方差的宽带DOA估计算法3仿真与实验验证I 导向矢
21、量聚焦 FFT阵元数据 IHjf)2取巧)U(Z)“ t滤波选择频段内数据叫形成聚焦协方差矩阵卜_J+常规空间谱估计一 呻 。 一。 一一一一。估计协方差矩阵 KR 2 ZlA(Ok)P(Ok)An(Ok)+PNIl 估计噪声SAMV0 SAMVI=卅RsRx“剐坷 2-+1) i)。IA,Y球I(。,) 扩Tr除2帅】再馥足协w鼢q 牡案勰q掣 一Tr险2“闻2(础足q)2T否念结果图1 RSSSAMV算法流程图本节通过计算机仿真给出RSSSAMV算法估计性能和影响因素,同时利用海上数据处理结果进一步说明其实用性。31理论仿真为了验证RSSSAMV算法在宽带相干干扰条件下DOA估计的优势,对
22、比宽带条件下波束扫描类算法:宽带非相关子空间常规波束扫描算法(ISMCBF)、宽带相关子空间自适应算法(CSMLCMV),宽带相关子空间子空间类算法:宽带非相关子空间MUSIC算法(ISMMUSIC)算法,稀疏算法:分子带稀疏迭代协方差估计算法空间谱(SPICE)和本文算法,在相干干扰条件下的DOA估计性能,建立如下仿真。仿真1:宽带相干条件下DOA算法仿真。考虑N=64阵元,阵元间距d=075 m的均匀直线阵,采样频率f=5 000 Hz,选择频带为500 Hz1 000 Hz,3个信号分别来自60。、90。、92。方向(90。为法线方向),信噪比为10 dB、10 dB、0 dB。其中60
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