基于輔助陣元法的非圓信號實值MUSIC算法

鄭春紅,賈潔民,鄧歡歡,楊　剛

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院,陜西 西安 710071)

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基于輔助陣元法的非圓信號實值MUSIC算法

鄭春紅,賈潔民,鄧歡歡,楊剛

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院,陜西 西安 710071)

針對非圓信號波達方向(direction of arrival,DOA)估計算法在工程應(yīng)用中受陣列誤差影響的問題,基于輔助陣元法的基本原理,并結(jié)合非圓信號的特征提出了一種基于輔助陣元法的非圓信號實值多重信號分類(multiple signal classification,MUSIC)算法。該算法利用非圓信號輸出陣列的實值擴展方式,既提高陣元輸出信號的使用率,也減少算法的計算量。同時詳細(xì)推導(dǎo)了獲取信號DOA估計的數(shù)學(xué)表達式,并對所提算法進行了仿真實驗。實驗結(jié)果驗證了該算法的有效性。

波達方向估計; 輔助陣元法; 非圓信號; 實值

0　引　言

陣列信號處理中,波達方向(direction of arrival,DOA)估計作為陣列信號處理的一個基本問題,在近些年得到大量的研究[1-2]。多重信號分類法是一種最常用的子空間的算法[3-5],而非圓信號作為現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的一種常用信號,在DOA估計當(dāng)中利用其旋轉(zhuǎn)不變性改進傳統(tǒng)算法[6],非圓信號偽協(xié)方差矩陣不為零的特點可將接收數(shù)據(jù)矩陣進行擴展,使其維數(shù)加倍,有陣列擴展作用,提高DOA估計的性能[7]。同時利用協(xié)方差和偽協(xié)方差矩陣可以提高檢測及參數(shù)估計性能[8-9]。針對非圓信號的特性,一些學(xué)者提出非圓信號DOA估計算法,例如文獻[10-11]提出非圓信號的多重信號分類(multiple signal classification algorithm for noncircular signals,NC-MUSIC)算法及求根(NC-root-MUSIC)算法,文獻[12]研究了將酉旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)信號參數(shù)(estimation of signal parameters via rotational invariance techniques,ESPRIT)算法應(yīng)用于非圓信號的DOA估計[12]等。這些算法較傳統(tǒng)的DOA估計算法性能上有了較大的提高,然而在實際工程應(yīng)用由于陣列自身誤差的存在,算法很難達到實際的理論水平。并且在實現(xiàn)過程中要進行大量的復(fù)矩陣運算,要提高工程應(yīng)用中的估計精度,是解決問題的關(guān)鍵,也是本文要展開的主題方向。

本文基于以上現(xiàn)狀,研究了文獻中提出的基于輔助陣元法的非圓信號的DOA估計算法[13-16],并且針對該算法提出了基于輔助陣元法的非圓信號的DOA估計實值算法,該算法能夠校正方位依賴陣元的幅相誤差,只需要參數(shù)的一維搜索,并且通過有效利用信號的非圓特征,充分利用信號的信息,提高DOA估計的精度,并且能夠在一定程度上解決基于輔助陣元法的非圓信號的DOA估計算法的計算復(fù)雜度高計算時間長的問題。

1　基于輔助陣元法的DOA估計

1.1方向依賴陣列信號模型及非圓信號的輔助陣元法

1.1.1方向依賴陣列模型

針對陣列接收天線,假設(shè)由N個等距線陣組成,相鄰陣元之間的間距為d?？紤]D個遠(yuǎn)場的窄帶信號以平面波形式入射到空間某陣列上,這里假設(shè)陣元個數(shù)等于通道數(shù),即各陣元接收到信號后經(jīng)各自的傳輸通道送到處理器。在這里考慮的陣元都是存在方向依賴的陣元,陣元不滿足各向同性以及陣元之間存在誤差。于是對于整個陣列在t時刻的輸出[17-18]可以表示為

(1)

式中,X(t)表示為陣列接收的信號矢量;W(θ)=[w(θ1),w(θ2),…,w(θD)],其中w(θi)=diag[τ(θi)]a(θi),τ(θi)是陣列對入射角為θi信號的幅相校正矢量,diag[]表示由向量中元素組成的對角矩陣,a(θi)是在理想情況下的信號導(dǎo)向矢量,是由于陣元位置不同導(dǎo)致的信號波程差引起的信號相位;S(t)為入射信號復(fù)幅度向量;N(t)為K×1陣列噪聲矢量。信號和陣元噪聲相互獨立且噪聲為零均值的高斯白噪聲。

1.1.2非圓信號的輔助陣元法

輔助陣元法是通過精確校準(zhǔn)的輔助陣元,可在無需已知陣列誤差參數(shù)的條件下估計信源方位,基于信源方位的準(zhǔn)確估計又可對陣列誤差進行精確校正,從而實現(xiàn)陣列誤差參數(shù)和信源方位的“去耦合”估計。對于基于輔助陣元的非圓信號自校正算法,該算法利用最大非圓信號的非圓特性進行運算處理。假設(shè)由K個陣元組成的任何幾何陣列中,其中有M個陣元為精確校準(zhǔn)的陣元,N(N=K-M)個存在方向依賴的陣元。D個遠(yuǎn)場最大非圓信號以角度為[θ1,θ2,…,θD]的平面波入射到空間陣列上。陣元編碼以第一個精準(zhǔn)陣元為參考陣元。

按照存在方向依賴陣列信號模型,則陣列中以θi角度入射信號的導(dǎo)向矩陣可表示為

(2)

式中,bdiag[]表示由矩陣或者矢量組成的塊對角矩陣;τ(θi)是陣列對入射角為θi信號的幅相校正矢量;a1(θi)和a2(θi)是a(θi)按輔助陣元和非校準(zhǔn)陣元的原始信源導(dǎo)向矢量組成的分塊矩陣。將w(θi)轉(zhuǎn)換表示為

(3)

令

即b(θi)是一個K×(N+1)的矩陣,d(θi)是一個(N+1)×1的向量,所以有w(θi)=b(θi)d(θi),則在t時刻,陣列的最終輸出信號可表示為

(4)

在對于非圓信號的輔助陣元法DOA估計中的具體做法是,首先將存在方向依賴的信號模型引入到非圓信號的DOA估計當(dāng)中,即陣列對最大非圓信號的輸出采用式(4)的形式,然后根據(jù)NC-MUSIC算法的思想,對方向依賴陣列輸出進行共軛擴展,最終求出算法的虛擬空間譜。

1.2基于輔助陣元法的實值DOA估計算法

對于存在方向依賴矩陣的非圓信號陣列模型,在上文中提到的關(guān)于非圓信號DOA估計的輔助陣元法在一定程度上減小了計算量,但是在計算過程中依然是一個復(fù)數(shù)矩陣,如果對復(fù)數(shù)矩陣進行特征分解計算量依然很大,不利于工程實現(xiàn)。為此,針對輔助陣元法,同時參考文獻[19-20],提出一種基于輔助陣元法的非圓信號實質(zhì)DOA估計算法,能夠?qū)?fù)數(shù)矩陣轉(zhuǎn)換成實矩陣,更適于工程計算。

由最大非圓信號的實質(zhì)信號相移性質(zhì)可以得到存在方向依賴矩陣在t時刻的輸出

(5)

式中,Φ1/2=diag[ejφ1/2,ejφ2/2,…,ejφD/2],即是由信號的非圓相位構(gòu)成的流型對角矩陣。表示對式(5)進行最大非圓信號陣列輸出實值擴展,具體形式為

(6)

(7)

式中,URS表示信號子空間;URn表示噪聲子空間;ΣRS表示信號空間對應(yīng)的特征向量;ΣRn表示噪聲空間對應(yīng)的特征向量。由信號的導(dǎo)向矢量與噪聲子空間正交的性質(zhì),可以得到

(8)

對于輔助陣元,將式(2)代入到WR可得入射角為θ的非圓信號在輔助陣元法的實值流形矢量為

(9)

(10)

令

則WRE的導(dǎo)向矢量形式為

令

則

(11)

(12)

將式(12)中WRE寫成列向分塊形式有

(13)

(14)

為了簡化計算現(xiàn)在分析QE(θ)的結(jié)構(gòu):

(15)

(16)

(17)

2　仿真分析

非圓信號輔助陣元法通過輔助陣元實現(xiàn)對陣元誤差的自校正,從而最大限度的提高的DOA估計的精度,以下仿真實驗將利用非圓信號輔助陣元法和其他相關(guān)算法對比,體現(xiàn)該算法的優(yōu)越性能。

仿真實驗采用的陣列為7個陣元均勻線陣,陣元間距為入射信號波長的一半,其中前3個為精準(zhǔn)校正的陣元,入射信號為窄帶二相相移鍵控(binary phase shift keying,BPSK)信號,各個入射信號功率相等,入射到陣列的噪聲為零均值高斯白噪聲。

實驗 1兩個入射信號,其非圓相位分別為π/6和π/3,入射角度分別為-15°和20°,分別用非圓信號MUSIC算法和非圓信號輔助陣元法算法來求取信號的空間譜,為了對比算法的性能,仿真實驗分別設(shè)定信噪比為70 dB、20 dB,快拍數(shù)為200次,實驗的算法仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1　不同信噪比對比結(jié)果圖Fig.1　Comparison results of different SNR

對比以上結(jié)果,不難發(fā)現(xiàn),非圓信號的輔助陣元法實值算法在不同的信噪比下能保持良好的算法性能,NC-MUSIC算法就不同,對兩個空間譜的構(gòu)造明顯有一定的偏差,信號能量比差大,角度估計偏移量相對較大,對噪聲比較敏感。

實驗 2兩個入射信號分別以0°和15°、0°和10°、0°和5°及0°和2°方式,在信噪比為20dB入射到陣列上,200次快拍采樣仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2　不同角度差下的結(jié)果對比Fig.2　Comparison results of different angle

很明顯，隨著角度差的越來越小,NC-MUSIC算法的結(jié)果越來越差,在10°角度差以下就幾乎分辨不出結(jié)果,而非圓信號輔助陣元法實值算法則相對能保持比較理想的結(jié)果,在2°的角度差時仍然可以區(qū)分出兩個目標(biāo)。

實驗 3兩個最大非圓信號分別以一定的角度入射到陣列上,利用非圓信號NC-MUSIC算法及其實值算法進行空間譜的求取,算法在一臺配置為酷睿i3的計算機上運行。對程序仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3　非圓信號輔助陣元法與實值算法對比Fig.3　Comparison result between NC-MUSIC and real value algorithm

從圖3可以看到,對于同樣的入射信號,非圓信號輔助陣元法的分辨效果與實值算法的分辨效果相同,二者具有相同的算法性能。

同時,對200組BPSK信號進行仿真空間譜求取,同時對非圓信號輔助陣元法及其MUSIC算法運行的平均時間(單位:s)進行記錄如下,算法分別在200次和500次快拍情況下進行，結(jié)果如表1所示。

表1　算法時間對比

從實驗結(jié)果中可以看出,非圓信號輔助陣元實值算法的運行時間明顯低于非圓信號輔助陣元法,實值算法的確把非圓信號輔助陣元法算法計算量減少了許多。

實驗 4在本次實驗中設(shè)計4組實驗,每組實驗的非圓信號的功率相同,同時設(shè)置信噪比均為20 dB,采用相同的快拍數(shù),分別利用輔助陣元法和非圓信號輔助陣元法進行空間譜求取信號DOA。在實驗中,第1組為2個信源,第2組為3個信源,第3組為4個信源,第4組為5個信源，仿真結(jié)果如圖4所示。

從以上的仿真結(jié)果可以看出,當(dāng)天線陣列有7個陣元時,針對輔助陣元法,當(dāng)信源數(shù)為2時,可以很好的分辨出信源,當(dāng)信源個數(shù)為3個及其以上時,該算法已經(jīng)失去了其性能。反觀非圓信號輔助陣元法,當(dāng)信源個數(shù)為4時,算法依然可以準(zhǔn)確分辨出信源,當(dāng)信源個數(shù)為5時,該算法也失去了其性能。從實驗仿真可以知道,非圓信號輔助陣元法算法能識別的目標(biāo)個數(shù)比傳統(tǒng)的輔助陣元增加了一倍。也就是說，在相同信源個數(shù)條件下,所需的輔助陣元的個數(shù)是原始算法中陣元個數(shù)的一半。

圖4　信源個數(shù)判斷仿真Fig.4　Comparison result about different signlas

3　結(jié)　論

非圓信號的輔助陣元實值算法通過在陣元中添加輔助矩陣,在進行DOA估計時消去了陣列誤差對DOA估計的影響,從而提高了DOA估計的精度。同時利用非圓信號可擴展的特性,充分利用了陣列信號的利用率,使算法能識別的目標(biāo)個數(shù)比傳統(tǒng)的輔助陣元增加了一倍。并且通過利用實值進行計算大大減少了算法的計算量,在工程實現(xiàn)上具有一定的利用價值。

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MUSIC algorithm about real values for noncircular signals based on instrumental sensors

ZHENG Chun-hong,JIA Jie-min,DENG Huan-huan,YANG Gang

(School of Electronic Engineering,Xidian University,Xi’an 710071,China)

As array errors affect the precision of direction of arrival (DOA)estimation,a multiple signal classification (MUSIC)algorithm for noncircular signals about real values for noncircular signals based on instrumental sensors is proposed,which combines the basic principle of the instrumental sensor method (ISM)and the characters of noncircular signals.This new algorithm that uses the real value of the non-circular signal output arrays extending mode not only improves utilization of the array output signals,but also decreases the calculation amount.A mathematical expressions about obtaining the signal DOA estimation are derived and a simulation is made.And the results of the algorithm simulation verify the superiority of the algorithm.

direction of arrival (DOA)estimation; instrumental sensor method (ISM); noncircular signal; real value

2015-08-13；

2016-02-15；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2016-05-24。

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(JB140235);上海航天科技創(chuàng)新基金(SAST201453)資助課題

TN 911.7

ADOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.11.03

鄭春紅(1969-),女,副教授,主要研究方向為智能信號信息處理。

E-mail:chzheng@xidian.edu.cn

賈潔民(1990-),男,碩士研究生,主要研究方向為雷達陣列信號處理。

E-mail:anchorely2008@126.com

鄧歡歡(1989-),男,碩士研究生,主要研究方向為雷達陣列信號處理。

E-mail:denghuanz@qq.com

楊剛(1968-),男,教授,博士，主要研究方向為智能信號處理。

E-mail:ygangxidian@gmail.com

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160524.1731.002.html