针对瞬时多波束抛物面的DOA估计新方法.pdf

《针对瞬时多波束抛物面的DOA估计新方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《针对瞬时多波束抛物面的DOA估计新方法.pdf（7页完成版）》请在专利查询网上搜索。

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911063410.X (22)申请日 2019.10.31 (71)申请人 安徽工业大学 地址 243002 安徽省马鞍山市湖东路59号 (72)发明人 何山红纪萌茜解良玉 (74)专利代理机构 合肥顺超知识产权代理事务 所(特殊普通合伙) 34120 代理人 谢永 (51)Int.Cl. G01S 3/14(2006.01) (54)发明名称 一种针对瞬时多波束抛物面的DOA估计新方 法 (57)摘要 本发明公开了DOA估计技术领域的一种针对 瞬时多波束抛物面的DOA估。

2、计新方法， 利用电磁 场理论计算出给定方向的源信号的焦面场， 利用 焦面场确定DOA估计的阵列单元和角度搜索范 围， 重构接收信号数据协方差矩阵和设计改进型 MUSIC算法， 移动馈源阵列来等效改变阵列结构 提高DOA估计性能； 本发明通过将反射面天线理 论与阵列信号处理相结合， 适应了多波束反射面 天线DOA估计中部分阵元接收的信号微弱， 阵列 结构不固定且不规则， 阵列流形复杂、 角度分辨 率高， 部分信号的DOA估计稳健性能差等特点， 简 化了DOA估计系统， 提高了DOA估计性能。 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 CN 110687497 A 2020.01.14 CN 1106。

3、87497 A 1.一种针对瞬时多波束抛物面的DOA估计新方法， 其特征在于， 具体步骤如下： S1， 利用电磁场理论计算出给定方向的源信号的焦面场； S2， 利用焦面场确定DOA估计的阵列单元和角度搜索范围； S3， 重构接收信号数据协方差矩阵和设计改进型MUSIC算法； S4， 移动馈源阵列来等效改变阵列结构提高DOA估计性能。 2.根据权利要求1所述的一种针对瞬时多波束抛物面的DOA估计新方法， 其特征在于： 找到所述焦面场的电场最强点， 即焦面场的中心点， 按照与中心点的电场幅度差小于某个 设定值为原则合理选取DOA估计的阵列单元。 3.根据权利要求2所述的一种针对瞬时多波束抛物面的D。

4、OA估计新方法， 其特征在于： 根据所述焦面场的中心点， 结合朱兰成辐射公式近似反推出源信号的方向， 并利用计算的 主瓣宽度， 根据实际工作要求， 确定DOA估计的搜索角度范围。 4.根据权利要求3所述的一种针对瞬时多波束抛物面的DOA估计新方法， 其特征在于： 所述S3中在源信号经反射面反射后， 阵列单元接收的信号之间的相关性已经降低的基础 上， 重构接收数据协方差矩阵来进一步降低信号之间的相关性， 并对其进行特征分解， 利用 噪声的特征值和信号的特征值分别对噪声子空间和信号子空间的特征向量进行加权， 然后 将信号投影加权空间谱和噪声投影加权空间谱分别进行叠加， 再运用MUSIC算法进行DO。

5、A估 计。 5.根据权利要求4所述的一种针对瞬时多波束抛物面的DOA估计新方法， 其特征在于： 纵向移动所述馈源阵列， 即等效改变阵列结构， 通过多种形式的阵列结构对同一信号进行 多次测量， 提高DOA估计性能。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110687497 A 2 一种针对瞬时多波束抛物面的DOA估计新方法 技术领域 0001 本发明涉及DOA估计技术领域， 具体涉及一种针对瞬时多波束抛物面的DOA估计新 方法。 背景技术 0002 利用致密焦面阵列馈源实现的大型多波束反射面天线可以扩大反射面天线的视 场， 提高射电天文望远镜、 点对多点卫星通信天线和宽角扫描雷达天线等的观察效率。 。

6、天线 在工作之前， 往往需要对工作视场内的干扰信号进行来波方向估计， 并通过对阵列单元的 激励电压加权来抑制干扰信号。 利用阵列馈源， 并结合DOA估计算法进行来波方向估计， 已 逐渐成为多波束反射面天线设计中的一个重要环节。 0003 已有的多波束反射面天线的DOA估计主要是利用阵列馈源结合焦面场， 运用经典 多重信号分类法进行估计， 但仅限于非相关信号的DOA估计， 没有考虑到源信号经反射面聚 集在焦平面后， 阵列单元接收的信号之间的相关性会降低这一有利因素来简化DOA估计。 也 没有结合反射面天线的特性来优化阵列结构和DOA估计算法， 角度分辨率、 灵敏度等均受到 了较大制约。 0004。

7、 由于焦面场是不均匀的， 阵列单元对每个源信号的作用不一定相同， 有可能作用 于弱信号的阵列单元数目较少， 无法判断出弱信号的来波方向； 如果一味增加阵列单元数 目， 不但加大了系统的复杂度， 同时有些阵列单元不但不能对部分信号发挥作用， 其引入的 噪声还会削弱这些信号的DOA估计性能。 0005 由于干扰信号的角度范围没有任何先验信息， 需要设置很宽的区域来进行DOA估 计， 增大了利用常规智能算法进行DOA估计的复杂性， 降低了实现过程的可行性和结果的可 靠性。 0006 对于非平稳的随机信号， 其焦面场是随机变化的； 如果存在多个非相干的平稳信 号， 它们叠加后的焦面场也是随机变化的， 。

8、此时只能通过长时间的观察， 才能根据每个阵列 单元接收到的信号幅度来选取阵列单元， 但也有可能选取的阵列单元不正确， 无法得到可 靠的DOA估计结果； 当存在多个源信号时， 选取的阵列单元对每个源信号的作用不一定相 同， 有可能作用于弱信号的阵列单元数目较少， 无法判断出弱信号的来波方向， 这些因素都 会削弱DOA估计的稳健性能。 0007 基于此， 本发明设计了一种针对瞬时多波束抛物面的DOA估计新方法， 以解决上述 问题。 发明内容 0008 本发明的目的在于提供一种针对瞬时多波束抛物面的DOA估计新方法， 以解决上 述背景技术中提出的问题。 0009 为实现上述目的， 本发明提供如下技术。

9、方案： 一种针对瞬时多波束抛物面的DOA估 计新方法， 包括源信号和馈源阵列， 具体步骤如下： 说明书 1/4 页 3 CN 110687497 A 3 0010 S1， 利用电磁场理论计算出给定方向的源信号的焦面场； 0011 S2， 利用焦面场确定DOA估计的阵列单元和角度搜索范围； 0012 S3， 重构接收信号数据协方差矩阵和设计改进型MUSIC算法； 0013 S4， 移动馈源阵列来等效改变阵列结构提高DOA估计性能。 0014 优选的， 找到所述焦面场的电场最强点， 即焦面场的中心点， 按照与中心点的电场 幅度差小于某个设定值为原则合理选取DOA估计的阵列单元。 0015 优选的，。

10、 根据所述焦面场的中心点， 结合朱兰成辐射公式近似反推出源信号的方 向， 并利用计算的主瓣宽度， 根据实际工作要求， 确定DOA估计的搜索角度范围。 0016 优选的， 所述S3中在源信号经反射面反射后， 阵列单元接收的信号之间的相关性 已经降低的基础上， 重构接收数据协方差矩阵来进一步降低信号之间的相关性， 并对其进 行特征分解， 利用噪声的特征值和信号的特征值分别对噪声子空间和信号子空间的特征向 量进行加权， 然后将信号投影加权空间谱和噪声投影加权空间谱分别进行叠加， 再运用 MUSIC算法进行DOA估计。 0017 优选的， 纵向移动所述馈源阵列， 即等效改变阵列结构， 通过多种形式的阵。

11、列结构 对同一信号进行多次测量， 提高了DOA估计性能。 0018 与现有技术相比， 本发明的有益效果是： 0019 (1)将反射面天线理论与阵列信号处理相结合， 在考虑到源信号经反射面反射后， 阵列单元接收的信号之间的相关性已经降低的基础上， 重构接收数据协方差矩阵进一步降 低了信号之间的相关性， 省去了空间平滑类算法等降维解相干预处理， 或重构Toeplitz矩 阵等非降维解相干预处理等措施。 并对经典多重信号分类法进行改进， 不但可以进行相关 信号的DOA估计， 还可以简化DOA估计系统， 提高DOA估计的角度分辨率和灵敏度等性能， 适 应了阵列馈源的DOA估计系统阵列结构不固定、 不规。

12、则、 阵列单元数目有限、 阵列流形复杂 和角度分辨率高等特征。 0020 (2)利用反射面的焦面场选取阵列单元， 剔除了信号过弱的阵列单元， 简化了DOA 估计系统， 降低了阵列的接收噪声。 0021 (3)利用焦面场确定DOA估计搜索角度范围， 加快了DOA估计的速度， 降低了因为相 位模糊等因素导致误判的概率。 0022 (4)基于不同的阵列结构， 其DOA估计性能也不相同这一原理， 利用FAST等瞬时多 波束抛物面的阵列馈源可以沿反射面轴线精确移动这一有利因素， 当阵列馈源沿反射面的 轴线连续移动时， 等效阵列结构也在改变， 在移动过程中对同一信号进行多次DOA估计并将 结果进行对比分析。

13、， 在阵列单元数目受限和阵列结构不规则的情况下， 增加了DOA估计的可 行性和估计结果的可靠性。 附图说明 0023 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案， 下面将对实施例描述所需要使用的 附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本领 域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附 图。 0024 图1为本发明流程图。 说明书 2/4 页 4 CN 110687497 A 4 具体实施方式 0025 下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完 整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是。

14、本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于 本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它 实施例， 都属于本发明保护的范围。 0026 请参阅图1， 本发明提供一种技术方案： 一种针对瞬时多波束抛物面的DOA估计新 方法， 包括源信号和馈源阵列， 具体步骤如下： 0027 S1： 利用电磁场理论计算出给定方向的源信号的焦面电场； 0028 利用电磁场理论计算出给定方向的源信号在反射面上的感应电流， 利用感应电流 并结合朱兰成辐射公式， 计算出焦平面上任意点的电场； 0029 S2： 利用焦面场确定DOA估计的阵列单元和角度搜索范围； 0030 找到焦面。

15、场的电场最强点， 即焦面场的中心点， 按照与中心点的电场幅度差小于 某个设定值为原则合理选取DOA估计阵列单元； 0031 根据焦面场的中心点， 结合朱兰成辐射公式近似反推出源信号的方向， 并利用计 算的主瓣宽度， 根据实际工作要求， 确定DOA估计搜索角度范围； 0032 S2利用反射面的焦面场选取阵列单元， 剔除了信号过弱的阵列单元， 简化了DOA估 计系统， 降低了阵列的接收噪声； 利用焦面场确定角度搜索范围， 加快了DOA估计的速度， 降 低了因为相位模糊等因素导致误判的概率； 0033 S3： 重构接收信号数据协方差矩阵和设计改进型MUSIC算法； 0034 经过反射面的反射， 阵列。

16、单元接收的信号之间的相关性降低了； 因此， 在此基础 上， 通过重构接收信号协方差矩阵进一步降低信号之间的相关性， 可以省去常规阵列DOA估 计中的降维处理和非降维处理等解相干预处理措施； 0035 设阵列单元数目为m， 源信号数目为d， 接收信号数据矩阵为u， 重构的接收信号数 据矩阵为uku+Pu*， 其中P为mm阶的反对角矩阵， u*为u的复共扼； 0036对uk进行特征分解， 得到重构的信号特征值( 1 d)及相应的特征向量噪声 的特征值( d+1 m)及相应的特征向量对噪声特征向量和信号特征向量分别构造加权 对角单位矩阵：和 0037运用MUSIC算法建立空间谱函数进行DOA估计， 。

17、式中v是源 信号在每个阵列单元中心的焦面电场矩阵， vH为共轭转置矩阵； 0038 S3利用信号经反射面反射后相关性降低的有利因素， 并重构阵列接收信号矩阵进 一步降低相关性， 省去了常规DOA估计中的降维处理和非降维处理等解相干预处理措施， 简 化了DOA估计系统； 在阵列流形中加入信号的幅度， 提高了DOA估计的稳健性能； 将信号子空 间和噪声子空间进行加权处理， 不但提高了DOA估计的分辨率， 抑制了噪声， 还提高了小快 拍数情况下的DOA估计性能； 0039 S4： 移动馈源阵列来等效改变阵列结构提高DOA估计性能； 0040 利用500m口径球面望远镜(five-hundred-me。

18、ter aperture spherical telescope， FAST)等瞬时多波束抛物面的阵列馈源可以沿反射面轴线精确移动这一有利因 说明书 3/4 页 5 CN 110687497 A 5 素， 在阵列馈源结构基本不变的情况下， 当阵列馈源沿反射面轴线偏离焦平面， 但偏离距离 不大时， 阵列单元接收的信号幅度基本不会发生变化， 但接收的信号的相位之间的关系会 发生较大变化， 且呈非线性变化， 其结果等效于阵列结构的改变； 不同的阵列结构可以获得 不同的DOA估计效果， 当阵列馈源沿反射面的轴线连续移动时， 通过多种形式的阵列结构对 同一信号进行多次测量并将测量结果进行对比分析， 可以。

19、获得更加精确、 可靠的结果； 0041 S4利用瞬时多波束抛物面的阵列馈源可以沿反射面轴线精确移动这一有利因素 来等效改变阵列结构， 通过多种形式的阵列结构对相同的信号进行多次DOA估计， 在阵列单 元数目受限和阵列结构不规则的情况下， 增加了DOA估计的可行性和估计结果的可靠性。 0042 在本说明书的描述中， 参考术语 “一个实施例” 、“示例” 、“具体示例” 等的描述意指 结合该实施例或示例描述的具体特征、 结构、 材料或者特点包含于本发明的至少一个实施 例或示例中。 在本说明书中， 对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。 而且， 描述的具体特征、 结构、 材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合 适的方式结合。 0043 以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。 优选实施例并没有详尽 叙述所有的细节， 也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。 显然， 根据本说明书的内容， 可作很多的修改和变化。 本说明书选取并具体描述这些实施例， 是为了更好地解释本发明 的原理和实际应用， 从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。 本发明仅 受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。 说明书 4/4 页 6 CN 110687497 A 6 图1 说明书附图 1/1 页 7 CN 110687497 A 7 。