本發(fā)明涉及陣列信號(hào)處理領(lǐng)域，具體涉及一種用于doa估計(jì)的陣列信號(hào)處理方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

波達(dá)方向(doa，directionofarrival)估計(jì)在過去幾十年一直是陣列信號(hào)處理領(lǐng)域的重要研究方向，已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、偵查等多個(gè)領(lǐng)域。最經(jīng)典的doa估計(jì)方法是schmidt提出的music算法，眾多研究人員對(duì)該算法進(jìn)行了改進(jìn)與提高，也提出了一些新的算法。在模型準(zhǔn)確的前提下，music算法能高精度的估計(jì)出窄帶獨(dú)立信號(hào)的波達(dá)方向，空間平滑music算法能精確估計(jì)出窄帶相干信號(hào)的波達(dá)方向。

但是music算法在計(jì)算過程中，需要對(duì)空間向量矩陣進(jìn)行特征值分解，這就導(dǎo)致由c語言實(shí)現(xiàn)計(jì)算復(fù)雜度高，針對(duì)這種情況，在專利號(hào)為cn200510021874.6的文獻(xiàn)中，公開了利用陣列天線并行采集數(shù)據(jù)，由實(shí)數(shù)接收矩陣計(jì)算空間向量矩陣，通過改進(jìn)的低復(fù)雜度坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)算法實(shí)現(xiàn)jacobi特征值分解方法，求解噪聲子空間，進(jìn)而由譜峰搜索估計(jì)信源角度。這樣的方法在向量空間的特征值分解部分會(huì)有較大的運(yùn)算，其運(yùn)算量與陣元(傳感器)數(shù)有關(guān)，當(dāng)陣元數(shù)為n時(shí)，其運(yùn)算量約為50n³，在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)中，陣元數(shù)大多為8個(gè)(通常稱為八元陣列)。

在現(xiàn)有的波達(dá)方向估計(jì)的陣列中，根據(jù)實(shí)際需要(如待測(cè)波源數(shù)，精度)，會(huì)設(shè)計(jì)出不同數(shù)目的陣元的陣列?，F(xiàn)有的用于doa估計(jì)的陣列信號(hào)處理方法或系統(tǒng)，并未對(duì)陣元數(shù)提出要求或者判斷，這就出現(xiàn)了無論陣元數(shù)目是多少，均采用同樣方法，在一些情況下，就提升了運(yùn)算量。

因此，開發(fā)一種能夠根據(jù)實(shí)際情況，減少運(yùn)算量的用于doa估計(jì)的陣列信號(hào)處理方法和系統(tǒng)，在陣列信號(hào)處理領(lǐng)域還是非常有市場(chǎng)的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的music算法，在向量空間的特征分解部分運(yùn)算量大的技術(shù)問題，提供了一種用于doa估計(jì)的陣列信號(hào)處理方法和系統(tǒng)。

本發(fā)明提供的基礎(chǔ)方案為：用于doa估計(jì)的陣列信號(hào)處理方法，包括如下步驟：

接收步驟：利用傳感器組成陣列接收目標(biāo)信號(hào)；

處理步驟：對(duì)接收到的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大，然后構(gòu)造空間向量矩陣；

計(jì)數(shù)步驟：對(duì)用于接收目標(biāo)信號(hào)的傳感器進(jìn)行計(jì)數(shù)；

求解步驟：根據(jù)計(jì)數(shù)步驟所得的值，選取qr算法或者jacobi算法，求解空間向量矩陣特征值和特征向量；

搜索步驟：譜峰搜索獲得定位參數(shù)；

顯示步驟：將定位結(jié)果由顯示電路顯示。

本發(fā)明的工作原理及優(yōu)點(diǎn)在于：在接收步驟中，傳感器組成一個(gè)接收傳感器陣列，接收目標(biāo)信號(hào)。處理步驟中，能夠?qū)邮諅鞲衅麝嚵?或者說傳感器)接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大處理，然后構(gòu)造接收矩陣(空間向量矩陣)。在計(jì)數(shù)步驟中，能夠得到用于接收目標(biāo)信號(hào)的傳感器的數(shù)量，求解步驟中，根據(jù)傳感器的數(shù)量，選取運(yùn)算量小的算法，達(dá)到空間向量矩陣特征值和特征向量，然后通過譜峰搜索獲得目標(biāo)信號(hào)的定位參數(shù)，最后將定位結(jié)果用顯示電路顯示出來。

本發(fā)明用于doa估計(jì)的陣列信號(hào)處理方法，增加了計(jì)數(shù)步驟，讓后面的求解步驟可以選取運(yùn)算量小的方法獲得空間向量矩陣特征值和特征向量。

進(jìn)一步，求解步驟中，根據(jù)計(jì)數(shù)步驟所得的值具體為：當(dāng)計(jì)數(shù)步驟所獲取的值為0-16時(shí)，采用qr算法，當(dāng)計(jì)數(shù)步驟所獲取的值大于17時(shí)，采用jacobi算法。

在music類算法中，空間向量矩陣是為hermite矩陣，有a^h＝a的性質(zhì)，且其主對(duì)角線上元素為實(shí)數(shù)，特征值均為實(shí)數(shù)

jacobi算法的思想是通過一系列正交變換不斷矯正，減小非對(duì)角元素的范數(shù)，使其更加對(duì)角化。jacobi算法是旋轉(zhuǎn)變換，當(dāng)陣元數(shù)(用于接收目標(biāo)源信號(hào)的傳感器數(shù)量)為n時(shí)，其n階旋轉(zhuǎn)矩陣形式如下：

即旋轉(zhuǎn)矩陣的對(duì)角元素除位置為(p,p)與(q,q)之外其余元素都為1，非對(duì)角元素除位置為(p,q)與(q,p)的元素外都為0。c與s為旋轉(zhuǎn)角的余弦與正弦，因而存在關(guān)系c²+s²＝1。平面旋轉(zhuǎn)則按照下面方式：

顯然，旋轉(zhuǎn)后只改變?cè)仃嚨膒和q的行與列的值。

下面先介紹c、s、θ值的選擇。先考慮2階方陣，由hermite矩陣性質(zhì)，對(duì)角線元素為實(shí)數(shù)，故θ2＝0，有：

其中設(shè)帶入，則有：

為了使非對(duì)角元素零化，令a'p,q＝0，設(shè)s＝tc，由于旋轉(zhuǎn)角的限制，t選擇為兩個(gè)根里絕對(duì)值最小的，則得出：

θ1＝θ3

這樣就完成了c、s、θ值的選擇。

qr算法是將矩陣分解為正交矩陣q與上三角矩陣r，并應(yīng)用位移思想，多次迭代約化hermite矩陣，使其以立方速度收斂到對(duì)角型，即：

t＝rq＝q^h(qr)q＝q^htq

本申請(qǐng)中，先用householder變換的qr分解將hermite矩陣約化為三對(duì)角hermite矩陣，再用隱式位移的givens變換的qr分解進(jìn)行約化，約化后其仍為三對(duì)角矩陣，但幾近對(duì)角陣。householder變換

形如：

的n階方陣p記為householder矩陣。矩陣p是正交的，且有p＝p^h。對(duì)于n階非零列向量x，使p滿足：

px＝αe0

其中e0＝[e^jθ,0,...,0]^t。代入上式，則有：

因此，有v∈span{x,e0}。令v＝x+αe0，帶入，為使向量x的系數(shù)為0，得α＝±||x||2，且e^jθ＝x(1)/|x(1)|，其中，x(1)為列向量x的第一個(gè)元素。這時(shí)有：

這樣則可以通過連續(xù)的householder變換使任意矩陣化為上三角矩陣。

householder變換可使hermite矩陣引入大量零元素，但不能選擇性的消去指定元素，而givens變換可以。givens變換與jacobi變換相類似，givens變換的旋轉(zhuǎn)矩陣形式也為：

不同的是，jacobi變換的旋轉(zhuǎn)矩陣jp,q是作用在hermite矩陣的兩個(gè)位置對(duì)稱、數(shù)值共軛的元素上，故jp,q的對(duì)角元素為實(shí)數(shù)。而givens變換的旋轉(zhuǎn)矩陣gp,q則是作用在hermite矩陣的任意兩個(gè)元素上，故gp,q的全部元素都為復(fù)數(shù)。

givens變換是將向量某一指定分量化0?？紤]其二階情況，有：

若則有：

θ1＝θ3

θ2＝θ4

這樣則可使二維向量的某一分量化為零。

進(jìn)一步，處理步驟中，在對(duì)接收到的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大前，先對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅值調(diào)整。幅值調(diào)整能夠?qū)⒏髀沸盘?hào)調(diào)整至相同幅值，能夠更好適應(yīng)后續(xù)電路的動(dòng)態(tài)范圍，并且調(diào)整至相同幅值之后，能夠更好的進(jìn)行濾波處理。

進(jìn)一步，用于doa估計(jì)的陣列信號(hào)處理系統(tǒng)，包括：

接收傳感器陣列，接收傳感器陣列包括計(jì)數(shù)器和多個(gè)傳感器，傳感器用于接收目標(biāo)信號(hào)，計(jì)數(shù)器記錄傳感器的數(shù)量；

信號(hào)預(yù)處理模塊，信號(hào)處理模塊包括增益控制電路和低噪濾波電路，用于對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行幅值調(diào)整和低噪濾波；

算法執(zhí)行模塊，算法執(zhí)行模塊包括多路ad采樣電路、處理器及外圍電路和存儲(chǔ)器，用于將模擬接收信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，處理器用于將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成空間向量矩陣，處理器用于接收計(jì)數(shù)器記錄的傳感器的數(shù)量信息，處理器根據(jù)傳感器的數(shù)量對(duì)該空間向量矩陣以不同的方法進(jìn)行特征分解，預(yù)估信號(hào)源數(shù)，構(gòu)成噪聲子空間，然后進(jìn)行譜峰搜索獲得定位參數(shù)；

定位結(jié)果顯示模塊，用于顯示波達(dá)方向信息。

本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：在接收傳感器陣列中，加入了計(jì)數(shù)器以記錄傳感器的數(shù)量。當(dāng)接收傳感器陣列需要檢修時(shí)，某一傳感器被拆卸下后，計(jì)數(shù)器能夠?qū)⑦@個(gè)情況反饋到算法執(zhí)行模塊中，這樣在執(zhí)行運(yùn)算時(shí)，能夠忽略被拆卸下來的傳感器對(duì)結(jié)果的影響。即，原有的傳感器為n時(shí)，算法執(zhí)行模塊執(zhí)行n個(gè)傳感器的算法，當(dāng)某一傳感器被拆卸下來后，計(jì)數(shù)器將這一信息反饋到算法執(zhí)行模塊，算法執(zhí)行模塊執(zhí)行(n-1)個(gè)傳感器的算法。這樣就保證了在接收傳感器陣列中，某些傳感器失效后doa估計(jì)的準(zhǔn)確性。

算法執(zhí)行模塊在計(jì)數(shù)器的反饋下，根據(jù)傳感器的數(shù)量，執(zhí)行不同的算法，在保證精度的情況下，極大降低了運(yùn)輸量。

進(jìn)一步，傳感器數(shù)量與處理器對(duì)空間向量矩陣進(jìn)行特征分解方法的關(guān)系為：當(dāng)傳感器數(shù)量為0-16時(shí)，采用qr算法，當(dāng)傳感器數(shù)量大于17時(shí)，采用jacobi算法。在運(yùn)算量上：jacobi算法的運(yùn)算量約為50n³，qr分解法的運(yùn)算量則約為3n⁴，n表示陣元數(shù)，因此，算法執(zhí)行模塊可根據(jù)傳感器的數(shù)量，執(zhí)行不同的算法，在保證精度的情況下，極大了降低了運(yùn)輸量。

進(jìn)一步，接收傳感器陣列中用于接收目標(biāo)信號(hào)的傳感器的數(shù)目可調(diào)。在接收傳感器陣列中某一傳感器出現(xiàn)問題需要檢修時(shí)，接收傳感器陣列依然可以正常工作。

附圖說明

圖1是jacobi算法與qr算法誤差仿真圖；

圖2是本發(fā)明用于doa估計(jì)的陣列信號(hào)處理方法的誤差仿真圖；

圖3是本發(fā)明用于doa估計(jì)的陣列信號(hào)處理方法的doa估計(jì)的仿真圖；

圖4是本發(fā)明用于doa估計(jì)的陣列信號(hào)處理方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面通過具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明：

實(shí)施例1

基本如附圖4所示：用于doa估計(jì)的陣列信號(hào)處理方法，包括如下步驟：

接收步驟：利用傳感器組成陣列接收目標(biāo)信號(hào)；

處理步驟：對(duì)接收到的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行先進(jìn)行幅值調(diào)整，再進(jìn)行濾波、放大，然后構(gòu)造空間向量矩陣；

計(jì)數(shù)步驟：對(duì)用于接收目標(biāo)信號(hào)的傳感器進(jìn)行計(jì)數(shù)；

求解步驟：當(dāng)計(jì)數(shù)步驟所獲取的值為0-16時(shí)，采用qr算法，求解空間向量矩陣特征值和特征向量；當(dāng)計(jì)數(shù)步驟所獲取的值大于17時(shí)，采用jacobi算法，求解空間向量矩陣特征值和特征向量；

搜索步驟：譜峰搜索獲得定位參數(shù)；

顯示步驟：將定位結(jié)果由顯示電路顯示。

對(duì)比例1

與實(shí)施例1相比，不同之處僅在于，不含計(jì)數(shù)步驟，在求解步驟中，采用qr算法求解空間向量矩陣特征值和特征向量。

對(duì)比例2

與實(shí)施例1相比，不同之處僅在于，不含計(jì)數(shù)步驟，在求解步驟中，采用jacobi算法求解空間向量矩陣特征值和特征向量。

實(shí)驗(yàn)過程，對(duì)對(duì)比例1和對(duì)比例2提供的方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中陣元數(shù)范圍為[6,25]，波長(zhǎng)λ＝1m，粗搜步長(zhǎng)q＝1.2°，細(xì)搜步長(zhǎng)p＝0.048°，快拍數(shù)n＝300，均勻線陣，陣元間距d＝0.5m，信噪比為10db，信號(hào)源數(shù)為三個(gè)且信號(hào)之間相互獨(dú)立，信號(hào)間角度差為15°，分別為5°、20°、35°，分別實(shí)驗(yàn)500次。

實(shí)施例1在實(shí)驗(yàn)過程中，陣元數(shù)為3，即采用的是qr算法。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上來看，jacobi算法與qr算法造成的角度估計(jì)的誤差較小，誤差的數(shù)量級(jí)僅為10^-3，但明顯qr算法的誤差更小，精度更高。本實(shí)施例提供的方法，等同于以陣元數(shù)16為分割線，在陣元數(shù)為0-16時(shí)，采用的是qr算法；當(dāng)陣元數(shù)大于17時(shí)，采用的是jacobi算法。實(shí)施例1的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖3為用本方法作為doa估計(jì)的仿真結(jié)果。從圖3中可以明顯的看到三個(gè)波峰非常尖銳、明顯，可以準(zhǔn)確的估計(jì)波達(dá)方向。

在運(yùn)算量上：jacobi算法的運(yùn)算量約為50n³，qr分解法的運(yùn)算量則約為3n⁴，n表示陣元數(shù)。在不同的陣元數(shù)的情況下，達(dá)到了既保證精度，也減小運(yùn)算量的效果。

用于doa估計(jì)的陣列信號(hào)處理系統(tǒng)，包括：

接收傳感器陣列，接收傳感器陣列包括計(jì)數(shù)器和多個(gè)可拆卸的傳感器，傳感器用于接收目標(biāo)信號(hào)，計(jì)數(shù)器記錄傳感器的數(shù)量；

信號(hào)預(yù)處理模塊，信號(hào)處理模塊包括增益控制電路和低噪濾波電路，用于對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行幅值調(diào)整和低噪濾波；

算法執(zhí)行模塊，算法執(zhí)行模塊包括多路ad采樣電路、處理器及外圍電路和存儲(chǔ)器，用于將模擬接收信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，處理器用于將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成空間向量矩陣，處理器用于接收計(jì)數(shù)器記錄的傳感器的數(shù)量信息，當(dāng)傳感器數(shù)量為0-16時(shí)，處理器該空間向量矩陣采用qr算法進(jìn)行特征分解；當(dāng)傳感器數(shù)量大于17時(shí)，處理器該空間向量矩陣采用jacobi算法進(jìn)行特征分解，然后預(yù)估信號(hào)源數(shù)，構(gòu)成噪聲子空間，然后進(jìn)行譜峰搜索獲得定位參數(shù)；

定位結(jié)果顯示模塊，用于顯示波達(dá)方向信息。

以上所述的僅是本發(fā)明的實(shí)施例，方案中公知的具體結(jié)構(gòu)及特性等常識(shí)在此未作過多描述。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明結(jié)構(gòu)的前提下，還可以作出若干變形和改進(jìn)，這些也應(yīng)該視為本發(fā)明的保護(hù)范圍，這些都不會(huì)影響本發(fā)明實(shí)施的效果和專利的實(shí)用性。本申請(qǐng)要求的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以其權(quán)利要求的內(nèi)容為準(zhǔn)，說明書中的具體實(shí)施方式等記載可以用于解釋權(quán)利要求的內(nèi)容。