基于新型聚焦矩阵的宽带信号DOA估计

针对宽带信号波达方向(DOA)估计问题,分析聚焦变换的原理,提出一种基于阵列输出信号协方差矩阵的聚焦算法.通过对不同频率和聚焦频率下的输出信号协方差进行特征分解,分别求取其大特征值对应的特征向量.根据最佳聚焦矩阵的求解条件,求出聚焦矩阵的表达式.该方法无需进行方位角度预估计,可以处理相干宽带信号源的DOA估计问题.通过实验仿真和性能分析验证了该算法的有效性.     

一种基于预估计的稀疏表示DOA估计快速算法

稀疏表示DOA估计算法具有很高的分辨率,但是其计算量较大.为此,提出一种基于预估计的稀疏表示DOA估计快速算法.首先,利用阵列协方差矩阵特征向量的性质,通过DFT对入射信号进行DOA预估计;其次,利用预估计结果降低过完备字典的长度;最后,进行稀疏分解得到DOA估计的精确结果.由于采用的字典长度较短,该算法的计算量非常小.仿真实验结果表明,该算法具有较高的成功概率、较快的估计速度和较低的估计误差.因此,提出的算法在工程实际中应用前景广阔.     

基于协方差矩阵降维稀疏表示的二维波达方向估计

针对稀疏重构下二维波达方向（2D-DOA）估计存在计算量大的问题,提出一种基于协方差矩阵降维稀疏表示的二维波达方向估计方法。首先引入空间角构造流形矢量矩阵冗余字典,将方位角和俯仰角组合从二维空间映射到一维空间,降低了字典的长度和求解复杂度,并且能自动实现俯仰角和方位角配对;其次改进了样本协方差矩阵的稀疏表示模型,对该模型进行了降维处理;然后由协方差矩阵稀疏重构的残差约束特性得到约束残差项置信区间,避免采用正则化方法导致参数选取困难;最后通过凸优化包实现了二维波达方向的估计。仿真实验表明,待选取的协方差矩阵列数达到某个阈值（在只有两个入射信号情况下该值为3）时,可准确实现入射信号角的估计;当信噪比（SNR）较小（<5dB）时,该方法估计精度优于基于空间角的特征矢量算法;低快拍数（<100）下该方法估计精度略低于特征矢量法,但小间隔角度下估计精度与后者相当。     

基于稀疏表示和约束优化的波达方向估计方法

对于噪声环境中信号源的波达方向(DOA)估计,传统的多信号分类(MUSIC)算法只对不相干信号有效,且所需较多样本。针对此问题,将进行DOA估计的搜索范围看作冗余字典,从而待估计的DOA成为该冗余字典中的某些元素,可以由冗余字典对其进行稀疏表示;其次,利用单次快拍数据,应用二阶锥(SOC)约束优化的方法对该稀疏表示问题进行描述,并进而转化为标准的二阶锥形式,采用有效的优化工具SeDuMi来实现DOA的估计。仿真结果表明,与现有的子空间方法相比,该方法只需单拍数据即可得到较好的估计结果,且无需对信源个数有先验知识,同时适用于相干和非相干信号。     

基于低秩矩阵恢复的DOA稀疏重构方法

为提高非均匀噪声下波达方向（direction of arrival,DOA）角估计算法的估计精度和分辨率,基于低秩矩阵恢复理论,提出了一种二阶统计量域下的加权L1稀疏重构DOA估计算法。该算法基于低秩矩阵恢复方法,引入弹性正则化因子将接收信号协方差矩阵重构问题转换为可获得高效求解的半定规划（semidefinite programming,SDP）问题以重构无噪声协方差矩阵;而后在二阶统计量域下利用稀疏重构加权L1范数实现DOA参数估计。数值仿真表明,与传统MUSIC、L1-SVD及加权L1算法相比,所提算法能显著抑制非均匀噪声影响,具有较好的DOA参数估计性能,且在低信噪比条件下,所提算法具有较高的角度分辨力和估计精度。     

基于COLD阵列的联合稀疏重构信号DOA估计方法

针对窄带和宽带两种情形,提出了一种基于同点正交磁环偶极子矢量天线（Co-centered orthogonal loop and dipole,COLD）阵列的联合稀疏重构信号波达方向（Direction-of-arrival,DOA）估计方法。该方法首先构造极化-空间域协方差矩阵,并对其第一列进行稀疏表示,在此基础上利用COLD阵列可视为相互垂直的磁环阵列和偶极子阵列这一特点,采用l2-范数约束下的凸优化（l1-范数）联合稀疏重构技术实现信号DOA估计。仿真实验表明,该方法较之现有方法具有分辨力高、估计精度高等优点。     

虚拟阵列Khatri-Rao积与子空间联合稀疏表示的DOA估计方法

利用目标信号在空域分布的稀疏性,该文提出了一种基于虚拟阵列Khatri-Rao(KR)积与信号子空间联合稀疏表示的单快拍DOA估计方法;该方法利用单次快拍的采样数据,构造出双向虚拟阵列数据,并对虚拟阵列数据的协方差矩阵进行KR积变换处理,然后对向量化后的数据进行顺序重构,利用重构矩阵的大奇异值对应的左奇异向量为估计信号子空间;最后,利用凸优化工具箱对稀疏模型进行二阶凸规划的优化求解,得到高精度的DOA估计值;仿真实验验证了算法的有效性,在低信噪比下比传统MUSIC和OMP算法具有更高的估计精度。     

基于稀疏表示的人脸识别方法

分析了稀疏表示的数学本质就是稀疏正规化约束下的信号分解,研究了一种正交匹配追踪的稀疏表示算法并利用矩阵Cholesky分解简化迭代过程中矩阵求逆计算来快速实现算法,将该算法应用在人脸识别中,利用训练样本构建冗余字典,将测试样本看成冗余字典中训练样本的线性组合,通过在不同人脸库上的实验证明了该方法的有效性.     

宽带混合信号的快速DOA估计算法

针对均匀线列阵,在宽带混合信号(不相关和相干信号共存)情形下,提出了一种DOA快速估计新算法。利用阵列协方差矩阵的Hermitian性,通过酉变换将各频点的复数据矩阵映射为实矩阵,通过实值化的TOFS法先直接估计出宽带非相关信号的DOA;然后利用空间差分技术,在各个频点上得到只含相干信号的数据协方差矩阵;通过Toeplitz矩阵重构,在不降低阵列孔径的条件下,可实现相干信号的解相干,再利用实值TOFS法可得到相干信号的DOA。由于算法是并行分别对不相关和相干信号进行DOA估计,在信源过载(信号数大于阵元数)的情形下,算法依然有效,同时由于实值化,算法的计算复杂度较小。仿真结果验证了算法的有效性。     

一种混合源环境下的波达方向估计方法

提出了一种基于均匀线阵的混合源波达方向DOA估计的新方法。该方法首先利用传统MUSIC方法估计出非相干信号源的DOA,然后对整个阵列数据协方差矩阵进行差分消除不相关源信号和噪声的影响,再对此差分矩阵进行特殊的空间平滑去相干,利用重建的数据协方差矩阵估计相干源的DOA。此方法的特点是分别估计不相关信号和相干信号的DOA,优点是在可估计出多于阵元数信号的前提下具有较高的DOA估计精度和稳健性。理论分析和仿真结果表明此方法的估计性能优于空间差分平滑算法。     

基于离散多项式变换的宽带线性调频信号波达方向估计

为了解决宽带信号处理的问题,研究了一种宽带线性调频(LFM)信号的波达方向(DOA)估计方法。该方法采用离散多项式变换(DPT)将宽带的LFM信号变换成窄带的,经过变换后,即变换为单个正弦信号和新的噪声。这样可将时变的方向向量转化为时不变的方向向量,再采用常规的窄带信号处理方法--多信号分类(MUSIC)算法,对信号的波达方向进行估计。理论分析和仿真结果表明,该方法能够精确地估计信号的波达方向;不仅计算量小,易于实现,而且估计性能好。     

一种改进的信号子空间聚焦宽带DOA估计算法

信号子空间聚焦（FSS）算法可实现宽带相干信号的波达方向（DOA）估计,但其在短快拍条件下存在估计精度差、分辨率低的问题。提出一种改进的信号子空间聚焦（MFSS）算法。根据波长间隔与阵元间距的匹配度选取最佳参考频点及子频带,通过Hankel矩阵奇异值分解重构子频带的协方差矩阵,并利用信号子空间聚焦法构造聚焦协方差矩阵,使用Root-正交传播算子实现DOA估计。实验结果表明,相比FSS、MTOPS、LR-MUSIC算法,MFSS算法复杂度较低,能够有效提高估计精度和速度。     

基于宽带聚焦矩阵和高阶累积量的OFDM信号的来波方向估计

为了解决正交频分复用(OFDM)宽带信号处理的问题,研究了基于宽带聚焦矩阵和高阶累积量的波达方向(DOA)估计方法。前者是通过傅里叶变换将宽带阵列数据分解为若干窄带信号,再利用一种聚焦矩阵将不同频带下的方向矩阵变换到同一参考频率下,然后用多重信号分类(MUSIC)算法来估计DOA;高阶累积量算法是通过聚焦操作,把各个窄带频率处的阵列输出矢量变换到聚焦频率处,然后求其累积量矩阵。对各个累积量矩阵进行加权平均并特征值分解,再应用MUSIC算法估计DOA。理论分析和仿真结果表明,两种方法都能够精确地估计OFDM信号的DOA,四阶累积量方法的空间分辨率比聚焦矩阵方法有所提高。四阶累积量算法扩展了阵列孔径,信噪比(SNR)较低的时候也有很好的适应性。     

基于改进MUSIC算法的宽带信号DOA估计

现有的波达方向（DOA）估计算法在估计被动探测系统中的宽带信号方位时,存在DOA估计结果偏差大、运算复杂度高等问题,难以满足信号实时处理的要求。为提高多源信号DOA估计的空间分辨率,提出一种基于S变换且不需要预估信号源个数的多重信号分类改进算法。根据宽带信号的频域特征,利用S变换处理阵列接收信号,得到多分辨的时频谱矩阵,同时构建时频域的阵列信号数据模型,结合信号功率谱矩阵呈联合对角化结构的特点,设计基于S变换的子空间谱估计公式。在此基础上,通过谱峰搜索进行DOA估计,实现多源宽带信号的声源定位。仿真结果表明,在信噪比范围为-15~10 dB的条件下,该算法的估计成功率始终保持在90%以上,相比TCT、CS_TCT、CWT_MUSIC算法,其具有较优的估计性能,并且无需预估信号源数。     

基于混合型MUSIC算法对相干信源DOA估计

在实际通信环境中,由于传播环境的复杂性使空间中存在大量的相干信号,从而导致信源协方差矩阵的秩亏缺。为使得矩阵的秩恢复到等于信号源数并解决相干信源波达方向（direction of arrival ,DOA）估计问题,提出了一种混合型MUSIC算法。该算法通过前后向空间平滑技术对天线阵列进行预处理,并将得到的新协方差矢量矩阵应用于改进的IMUSIC算法进行信号数据处理分析,得到相干信号的DOA角度估计。仿真结果表明,在信噪比低的情况下,信号间隔很小且存在相关信号时,混合型MUSIC算法能准确地估计出信源的DOA,验证了该算法的高分辨率和高性能。     

基于SVD的二维子空间拟合DOA估计

改进传统子空间拟合波达方向(DOA)估计方法,以快拍数据矩阵的奇异值分解代替接收数据协方差矩阵的特征值分解,用奇异值和奇异值矢量进行信源数估计,避免协方差矩阵估计,减少运算量和矩阵估计误差。根据已有子空间拟合的一维修正变化投影(MVP)算法原理,推导出二维MVP算法实现步骤,对基于均匀圆阵的接收信号进行二维DOA估计。     

短快拍条件下宽带chirp信号的波达方向估计

传统的波达方向(DOA)估计算法角度分辨率低或者依赖于大量的快拍,基于稀疏参数估计的SPICE谱估计算法虽然在很少的快拍数即短快拍条件下就能达到较高的分辨率以及低的旁瓣水平,但是只适用于窄带信号。为了解决上述问题,即仅依靠少量快拍实现对宽带线性调频(chirp)信号的高分辨率DOA估计,提出了一种FrFT-SPICE算法。首先,将宽带chirp信号进行特定阶次的分数阶傅里叶变换(FrFT),将时域的chirp波形变为FrFT域的单频正弦波形;其次,推导出FrFT之后接收信号的方向向量;最后,将方向向量代入到窄带的SPICE算法中,实现对宽带chirp信号的DOA估计。仿真实验中,在少量快拍以及扫描间隔相同的前提下,同多重信号分类(MUSIC)与FrFT相结合的FrFT-MUSIC算法相比, FrFT-SPICE在DOA估计的分辨率方面有所提高;而同将空间重采样(SR)与迭代自适应算法(IAA)相结合的SR-IAA相比, FrFT-SPICE在估计精度上有所提高。实验结果表明,所提算法能够在短快拍条件下实现对宽带chirp信号的高分辨率、高精度的DOA估计。