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专利号: 2023102159007
申请人: 三峡大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2025-12-26
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种改进的多径环境下阵列信号的二维波达方向估计方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1,对信号接收阵列的输出数据进行特定排序,得到非秩亏数据;

步骤2,结合平行因子模型对非秩亏数据进行低秩分解;

步骤3,结合最小二乘法准则与空间旋转不变性进行计算,获得二维波达方向估计,完成改进的多径环境下二维波达方向估计。

2.根据权利要求1所述的一种改进的多径环境下阵列信号的二维波达方向估计方法,其特征在于,步骤1中所述的对信号接收阵列的输出数据进行特定排序,具体方法如下:用M和N表示信号接收阵列中电磁矢量传感器的行数和列数,其中,M和N为整数;用λ表示信号波长,用d表示阵元间距,接收阵元的位置设置如下:阵元位于设定的x‑o‑y平面上,且沿x轴与y轴方向的阵列都为均匀的阵列,即阵元间距相同;用K表示远场信号的个数,K为正整数;令θk,φk,γk和ηk分别为第k个信源相对于接收阵列的俯仰角、方位角、辅助极化角和极化相位差,且取值范围均在[‑90°,90°],(θk,φk)即为信源的二维波达方向,其中,k=

1,2,…K;信号接收阵列的输出数据Y表示为:

其中, 表示克罗内克积,⊙表示卡特里拉奥积, 和 分别是x轴和y轴的接收阵列对第k个信号的空域响应矢量, 表示属于复数域的M×1维矩阵,表示属于复数域的N×1维矩阵, 是相应的极化响应矢量, 表示属于复数域的

6×1维矩阵,sk为第k个信号的复包络;Ax=[ax,1,ax,2,…,ax,K],表示位于x轴上的阵元对信号的空间响应,Ay=[ay,1,ay,2,…,ay,K],表示位于y轴上的阵元对信号的空间响应,其中,sL表示第L次快拍得到的信号复包络, 表示属于复数域的K×L维矩阵, 是噪声样本;

定义沿x轴与y轴的方向余弦分别为uk=sinθkcosφk,vk=sinθksinφk,上述响应矢量的具体形式分别如下其中,j表示虚数单位;

定义Ay与B的卡特里拉奥积为By=Ay⊙B,其中B是阵列对信号的极化响应,阵列输出数据Y通过矢量化得到一组新的数据 具体的形式如下:T

Z=vec(Y)=(S ⊙Ax⊙By)1K,1+Nz=y+Nz其中,vec()表示对数据进行矢量化,y是无噪声的数据矢量,1K,1是K行1列的全1向量,是相对应的噪声;

定义一个运算符Unvec(),其作用如下:

T T

Unvec6N(y)=By(S ⊙Ax)

即把y这一包含6×M×N×L个元素的列向量从上到下取每6N个元素为一列依次作为第一列,第二列到最后第M×L列,得到一个新的维度为6N×ML的矩阵;

T T

定义S ⊙Ax=AS为S与Ax的卡特里拉奥积,则新矩阵模型X具体的形式如下:式中, 是数据经过重新排列后的对应噪声,且此时AS与Ay⊙B均为满秩矩阵。

3.根据权利要求2所述的一种改进的多径环境下阵列信号的二维波达方向估计方法,其特征在于,步骤2中所述的结合平行因子模型对非秩亏数据进行低秩分解,具体包括:步骤2‑1,利用平行因子模型对非秩亏数据进行分析;

步骤2‑2,进行低秩分解。

4.根据权利要求3所述的一种改进的多径环境下阵列信号的二维波达方向估计方法,其特征在于,步骤2‑1中所述的利用平行因子模型非秩亏数据进行分析,具体包括:将新矩阵模型X中的无噪声部分 定义为:

其中, Dn()表示取第n行数据作为对角元

素的对角矩阵;

将 中的第p行第n列元素xp,g,n改写成3个矩阵乘积之和的形式:其中,1≤p≤6,[B]p,k表示B的第p行第k列元素;[Ay]n,k表示Ay的第n行第k列元素;

[AS]g,k表示AS的第g行第k列元素,上述公式即为xp,l,n的平行因子模型,并由此将 定义为一个三维矩阵。

5.根据权利要求4所述的一种改进的多径环境下阵列信号的二维波达方向估计方法,其特征在于,步骤2‑2中所述的进行低秩分解,具体包括:根据三线性交替最小二乘算法和平行因子模型唯一性定理,从含噪数据X中得到对于B,Ay和AS的估计 和 并且与对应真实值之间的关系如下:其中,П为列模糊矩阵;Ω1,Ω2,Ω3为尺度模糊的对角矩阵,E1,E2,E3为对应的估计误差矩阵。

6.根据权利要求5所述的一种改进的多径环境下阵列信号的二维波达方向估计方法,其特征在于,步骤2‑2中所述的对于所得的估计结果 和 列模糊不影响估计精度,尺度模糊通过归一化消除。

7.根据权利要求6所述的一种改进的多径环境下阵列信号的二维波达方向估计方法,其特征在于,步骤3中所述的获得二维波达方向估计,具体方法如下:步骤3‑1,利用最小二乘法准则与空间旋转不变性得到相应数据;

步骤3‑2,进行二维波达方向估计。

8.根据权利要求7所述的一种改进的多径环境下阵列信号的二维波达方向估计方法,其特征在于,步骤3‑1中所述的利用最小二乘法准则与空间旋转不变性得到相应数据,具体方法如下:对于Ay,利用最小二乘法准则估计中心波达方向,并得到最小二乘法的解wk,具体方法如下:其中,U为选择矩阵, 为Ay第k列的相位,计算方法如下:取wk的第二个元素值wk(2)得到vk的估计值 对于AS,使用选择性矩阵得到两个子矩阵Ax1,Ax2,此时利用空间旋转不变性便得到uk的估计值:其中,表示矩阵的伪逆,diag{}k表示取对角矩阵中的第k个对角值,angle[]表示取相位值。

9.根据权利要求8所述的一种改进的多径环境下阵列信号的二维波达方向估计方法,其特征在于,步骤3‑2中所述的进行波达方向估计,具体方法如下:最终的(θk,φk)即为信源的二维波达方向。

10.根据权利要求9所述的一种改进的多径环境下阵列信号的二维波达方向估计方法,其特征在于,步骤2‑2中所述的尺度模糊的对角矩阵,满足Ω1Ω2Ω3=I,I为单位矩阵。