一種衝擊噪聲背景下小快拍數信號波達方向估計方法
2023-06-21 12:00:11
一種衝擊噪聲背景下小快拍數信號波達方向估計方法
【專利摘要】本發明涉及一種衝擊噪聲環境下小快拍數信號波達方向估計方法。本發明包括：採集信號採樣數據；對接收到的信號數據矢量進行去衝擊預處理；對去衝擊後的矩陣的協方差矩陣；將經過重採樣構建後的協方差矩陣分解子空間得到其噪聲子空間；對B次重採樣的協方差矩陣分別進行求解，得到由B個入射角度估計值構成的矢量矩陣，利用置信空間對矩陣進行校正後求均值即可得到最終波達方向角度的估計值本發明經過對接收數據的預處理，能對衝擊噪聲進行有效地抑制；採用block-bootstrap方法對數據矩陣進行重採樣構建，在小快拍數下能對信號進行有效地擴展；該方法穩健性高，適用於衝擊噪聲背景下的小快拍數DOA估計，具有良好的測向效果。
【專利說明】一種衝擊噪聲背景下小快拍數信號波達方向估計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種衝擊噪聲環境下小快拍數（snapshot)信號波達方向（Direction of Arrival,簡稱D0A)估計方法。
【背景技術】
[0002] D0A估計是陣列信號處理中的一個重要研究領域，在電子戰、雷達、聲吶、射電天文 學、地震學、衛星以及移動通信系統等方面有著廣泛的應用。
[0003] 傳統的D0A算法針對的是固定信源，設定為已知分布為高斯白噪聲條件下的大快 拍數估計，然而，在實際應用中噪聲往往不服從高斯分布或具有衝擊性，如海雜波噪聲，大 氣放電噪聲，無線信道瞬時幹擾噪聲等，所以，對於未知參數特性的非高斯白噪聲環境下的 D0A算法是空間譜估計理論中一個重要的課題。另外，實際中由於種種原因，並不一定能夠 採樣到足夠的信號形成大的快拍數，因此，在小快拍數下的D0A估計問題也是波達方向估 計中一個重要的課題。
[0004] 對於D0A估計，一般性方法是譜估計，S卩利用陣列形式對空間波達信號的角度功 率譜，例如 1979 年，Schmit 等人在 "Multiple emitter location and signal parameter estimation"中提出了著名的MUSIC(多重信號分類）方法，後來Roy等人在"Esprit-a subspace ration approach to estimation of parameters of cissoids in noise，'中 提出的ESPRIT (旋轉不變子空間）方法，都是利用譜進行估計，進而得到用戶信號的波達角 度。MUSIC算法和ESPRIT算法都屬於子空間類算法，子空間類算法是通過對接收信息的處 理得到信號子空間或噪聲子空間，通過構造譜函數進而得到空間波達信號的角度功率譜。 其中MUSIC算法利用噪聲子空間而ESPRIT利用的是信號子空間。以MUSIC算法為代表的 算法包括特徵矢量法、MUSIC、r 〇〇t-MUSIC法及MNM等，以ESPRIT算法為代表的算法主要有 TAM、LS-ESPRIT 及 TLS-ESPRIT 等。
[0005] 對於複雜電磁環境下的測向研究，近年來先後出現了利用共變矩陣（R0C)、分數低 階矩（F0LM)等來估計衝擊噪聲環境下的測向算法，以及利用特殊陣列模型（Toeplitz重構 等）、參數化的噪聲模型（將噪聲視為AR、MA等模型）來估計色噪聲下的測向算法。以上 算法較為複雜，運算量大，需要已知或者預先假設參數。對於小快拍數下的D0A估計，一般 採用智能優化算法（粒子群算法（PS0))、陣列插值、陣列變換、空間重採樣等統計學方法來 計算。其算法的複雜程度、迭代次數和分辨力高低都各有缺點。因此為了更好在複雜電磁 環境下更有效的D0A估計，下述問題亟待解決 ：
[0006] 1)複雜噪聲環境下的測向。傳統算法和子空間類算法基本上都是假設噪聲是白高 斯，或者是已知統計特性的色噪聲。然而，未知統計特性的色噪聲環境在實際應用中卻經 常出現。此時傳統的MUSIC等子空間算法性能急劇下降。
[0007] 2)小快拍數下的測向。現實生活中電磁環境越來越複雜，尤其是在電子信息戰中。 由於各種幹擾的存在，單位時間內獲得的快拍數有限，已有的大多數算法在此情況下性能 嚴重下降，甚至不能測向。所以小塊拍數下的測向研究必須藉助於其他參數估計等手段來 完成。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的在於提供一種穩定性更高的衝擊噪聲背景下小快拍數信號波達方 向估計方法。
[0009] 本發明的目的是這樣實現的：
[0010] (1)採集信號採樣數據：
[0011] X (t) = AS (t) +N (t),
[0012] 其中，x(t) = [11(0，12(0，...，11(0]1為快拍數為七時的1^父1維接收數據矢量， A為陣列流型矩陣，S(t)為MX1維窄帶信號矢量，N(t)為LX1維加性噪聲矢量，噪聲類 型為復衝擊噪聲
【權利要求】
1. 一種衝擊噪聲背景下小快拍數信號波達方向估計方法，其特徵在於： (1) 採集信號採樣數據： X (t) = AS (t) +N (t), 其中，X(t) = [Xl(t)，x2(t)，· · ·，XJt)]T為快拍數為t時的LX1維接收數據矢量，A 為陣列流型矩陣，S(t)為MX1維窄帶信號矢量，N(t)為LX1維加性噪聲矢量，噪聲類型 為復衝擊噪聲，
^為導向矢量，^為第i個信 源的入射角度，Vi = exp(-j π sin( Θ J)，i = 1，2, · · ·，M ; (2) 對接收到的信號數據矢量進行去衝擊預處理： 判斷接收陣列數據矢量矩陣絕對值最大值Ximax與門限值之間的大小，其中門限倌為
為接收陣列數據矢量矩陣絕對值的均值，如果Ximax大於等於門限值，則用
替換矩陣中最大值，如小於門限值則執行下一步驟；重複上述比較過程，直至矩陣中的值均 小於門限值；
其中，
為衝擊噪聲特徵係數，a e (〇,2]，GSNR 是廣義信噪比； (3) 對去衝擊後的矩陣的協方差矩陣Rx: Rx = E [XXH]， 以協方差矩陣中每一列為單位進行可放回的隨機均勻重採樣Β次後重構協方差矩陣 Rx% Β = 200 ?1000, Β 1/Ν，Ν 為快拍數； (4) 將經過重採樣構建後的協方差矩陣R/分解子空間得到其噪聲子空間UN，
式中eiH是數據協方差矩陣R/中小特徵值對應的L-M個特徵矢量即代表著噪聲子空 間，其中 P (z) = [1 z... zL-1] τ 求解多項式的根：
得到入射角度：
(5) 對Β次重採樣的協方差矩陣分別進行求解，得到由Β個入射角度估計值》構成的矢 量矩陣，利用置信空間對矩陣進行校正後求均值即可得到最終波達方向角度的估計值
【文檔編號】G01S3/00GK104155629SQ201410384625
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月7日 優先權日:2014年8月7日
【發明者】劉磊, 刁鳴, 高洪元 申請人:哈爾濱工程大學