一种均匀线阵互耦校正算法

旋转不变子空间(Estimating Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques,ESPRIT)算法是空间谱估计中的典型算法,但是阵列互耦会严重影响ESPRIT算法的测向性能。将均匀线阵划分为冗余阵元和有效中心阵元,对有效中心阵元利用ESPRIT算法估计出校正源方位角,结合冗余阵元信息估计出互耦系数阵。计算机仿真显示该算法在互耦自由度为2或3时均有效,算法还从仿真角度研究了幅度和相位误差对算法性能的影响。该算法校正时只需单个未知方位校正源,是一种操作简单的均匀线阵互耦校正算法。     

基于模型稀疏表示的单快拍波达方向鲁棒估计

基于传感器阵列输出模型的稀疏重构,研究了利用单快拍数据进行波达方向（Direction of Arrival,DOA）估计的问题。考虑到在实际应用中,目标信号个数远小于传感器阵元数,目标信号DOA相对于空间来说也是稀疏的,将传统的传感器阵列输出模型进行稀疏化表示,得到阵列输出数据的稀疏表示模型,研究了一种基于l₁-范数最小化的单快拍DOA估计算法（L1-Min）。该算法将稀疏参数求解问题转化为二阶锥规划（Second-Order Cone Programming,SOCP）问题的一般形式,并在二阶锥规划的框架下求解,同时分析了算法中正则化参数的选取依据。L1-Min算法对小样本、相干多径信号、目标信号角度间隔小等非理想条件都具有较好的鲁棒性。仿真实验验证了算法的有效性。     

矢量水听器阵时频MUSIC算法研究

时频MUSIC算法利用信号的时频分布构造空间时频分布矩阵,并用该矩阵代替传统的相关矩阵进行DOA估计,可以有效抑制噪声和干扰,提高算法的稳健性。时频子空间算法突破了传统子空间算法中阵元数对估计信号个数的限制,时频点包含了信号的时频空三维信息,通过时频点的选择可直接确定信号的频率从而确定阵列流型矩阵。对于宽带信号,在进行方位估计时避免了频域搜索,减少了运算量。将时频MUSIC算法应用于二维矢量水听器垂直线阵中,充分利用矢量水听器的标、矢量信息和信号的时、频信息进行宽带信号的二维波达方位估计。仿真研究验证了算法的有效性。     

应用于传声器阵列定位校准的空间点声源声场拟合方法

介绍了一种用于传声器阵列声源定位精度校准的空间点声源声场模拟方法,并基于该方法设计了一套空间点声源模拟系统,完成了一个传声器阵列的定位位置精度校准。文章采用多通道点声源空间声场合成算法模拟了一个位于自由场空间的点声源,根据传声器阵列中每一个传声器的空间位置坐标,计算出传感器所处位置声场的动态声信号。通过耦合腔标准声源将对应的多通道电压信号输入被校准阵列系统,完成点声源的模拟。然后,该阵列运用波束形成算法进行声源定位,得出点声源的位置,并与模拟点声源的位置进行比对,实现对阵列定位准确性的校准。     

空间非平稳噪声下圆阵的修正Capon算法

在空间非平稳噪声环境下,利用估计的噪声相关矩阵对圆阵接收数据相关矩阵进行预处理,可以消除非平稳噪声对方位估计的影响。再利用修正Capon算法,可以突破瑞利限的限制,且不需要知道信源数,从而实现目标的高分辨方位估计。仿真结果证实了该方法的有效性。     

双目标相干源窄带信号波达方向估计算法

利用水下目标发出的窄带信号,能够实现目标方向的精确估计。针对均匀线列阵接收水下目标窄带信号的特点,提出一种相干源波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计的快速算法。通过精确估计目标信号对应的空间频率,直接计算出单目标或双目标信号的波达方向。对该算法进行了理论推导,通过仿真对算法进行验证,并对影响DOA估计精度的因素进行了分析。仿真结果表明,该算法具有较高的估计精度,不受信号时间长度的影响,算法计算量小,便于实时处理,具有较好的工程应用前景。     

矢量线阵MUSIC算法抗空间混叠性能研究

利用矢量线阵可以提高对目标参数估计的性能,探讨了矢量线阵MUSIC算法的抗左右舷模糊性能和抗空间混叠性能。理论研究和外场试验结果表明,矢量线阵消除了声压线阵MUSIC方位谱的左右舷模糊,在阵元个数保持不变的条件下,空间降采样时,矢量线阵MUSIC空间谱不仅提高了方位估计的精度,而且能够抗空间混叠,在相同的条件下．矢量线阵MUSIC空间谱的抗空间混叠性能明显优于矢量阵常规波束形成方法。     

声矢量阵相干源方位估计算法

基于声矢量阵的质点速度场平滑（ParticleVelocityFieldSmoothing,PVFS）算法是一种有效的解相干算法,但是当存在大量相干源时,该算法性能急剧下降甚至失效。在PVFS算法的基础上,提出了矩阵平方平滑（MatrixSquareSmoothing,MSS）-PVFS算法,该算法是对PVFS算法的改进,通过对PVFS算法构造的数据协方差矩阵进行平方、矩阵分块以及矩阵块间交叉相乘等数学运算,增强了PVFS算法解相干的能力,并大大增加了其分辨相干源的数目。计算机仿真结果表明,MSS—PVFS算法的效果与空间平滑（SpatialSmoothing,SS）-PVFS算法大致相同,但在低信噪比条件下,该方法具有更高的DOA估计精度。     

Handheld direction of arrival finder with electronically steerable parasitic array radiator using the reactancedomain MUltiple SIgnal Classification algorithm

Reactance-domain multiple signal classification (RD-MUSIC) is a promising scheme for enabling ESPAR (electronically steerable parasitic array radiator) antennas to accurately estimate the DOAs (directions-of-arrival) of radio waves. The ESPAR antenna is a variable directional antenna designed for battery-operated mobile terminals, and is utilised for handheld DOA finder applications as well as for wireless communication systems. We present some experimental results showing that the RD-MUSIC with a conventional calibration obtains a sharp spectrum for accurate DOA estimation, although the ESPAR antenna is equipped with only a single-port output unlike a conventional array antenna. The results also demonstrate that RD-MUSIC works well even when exploiting fewer beam patterns than the number of antenna elements. Moreover, we have verified that a human body hardly generates any degradation of DOA estimation even holding the DOA finder close to the body. The degradation of DOA estimation because of a human body is kept to less than about 6deg, and removing beam patterns towards directions of reflections from the human body is found to be useful in decreasing the errors. Although the reduction in the number of beams results in reducing the total number of estimated waves, it can mitigate the influence of a human body for actual DOA estimation with the handheld DOA finder.     

分布式传声器阵列的低频宽带信号方位估计

现有的预防道路交通安全事故、治理道路交通噪声污染等问题的解决方案是从视觉维度监控重点区域并通过声音维度确定事件触发类型与位置。为了实现公路异常声源的实时监测,提出了一种基于双尺度旋转不变信号参数估计旋转不变子空间技术(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques, ESPRIT)的低频宽带声源波达方向(Direction of Arrival, DOA)估计算法,该算法适用于三个矩形子阵呈三角形分布的分布式阵列。算法利用该分布式阵列具有的子阵内相邻阵元间距、相邻子阵间距两种尺度对应的空间平移不变性分别进行方向余弦估计,并利用基于阵型分布的解模糊策略实现高精度方位估计。仿真结果验证了算法的有效性,表明了基于该算法的分布式阵列DOA估计精度优于相同阵元数与阵元间距的单个均匀矩形阵,分析了估计精度与分布基线长度的关系,体现了算法的实际工程应用价值。     

On the sensitivity of the ESPRIT algorithm to non-identical subarrays

ESPRIT (estimation of signal parameters via rotational invariance techniques) is a recently introduced algorithm for narrowband direction-of-arrival (DOA) estimation. Its principal advantage is that the DOA parameter estimates are obtained directly, without knowledge (and hence storage) of the array manifold and without computation or search of some spectral measure. This advantage is achieved by constraining the sensor array to be composed of two identical, translationally invariant subarrays. In this paper, we analyse the sensitivity of ESPRIT to the assumption that the subarrays are identical. The analysis is applicable to a wide variety of array errors, including non-identical angle-dependent and angle-independent gain and phase perturbations, errors in the locations of the subarray elements, and mutual coupling effects. A representative simulation example will be presented to validate the analysis and compare the performance degradation of ESPRIT with that of the MUSIC algorithm.     

Three-dimensional antennas array for the estimation of direction of arrival

Direction of arrival (DOA) estimation of multiple sources using an antenna array becomes very important in wireless communications. It is well known that the quality of the DOA estimation depends on the selected technique and algorithm but it also depends on the geometrical configuration of the antenna array used during the estimation. The authors study the influence of the antenna array configurations on the Cramer?Rao bounds (CRB) of the 2D DOA estimation problem as well as on the performance of the well known MUSIC algorithm. For this we consider the most known planar arrays and we propose a 2-L shaped 3D antennas array. It appears that this 3D antennas array outperforms the other configurations as well as that already proposed in Tayem and Kwon (2005), in terms of both the CRB and the MUSIC root mean square estimation error and also removes ambiguities from the estimation MUSIC pseudo spectrum.     

基于独立分量分析的波束空间波达方向估计算法

波束空间变换是波达方向估计算法中重要的预处理方法,该方法适合大阵列、小信号源数的场合,可以有效降低运算量。但是目前存在的波束空间类DOA估计算法大多需要预知信号的大致来向,同时对阵型有要求。为了解决上述问题,提出一种基于独立分量分析的波束空间DOA估计算法,使用独立分量分析方法获得波束形成变换矩阵。该算法对阵型无要求、无需知道信号来向并且具备较强的角度分辨能力。仿真实验验证了有效性。     

一般阵列误差情况下信号二维方向角和多普勒频率的联合估计

针对平面阵列，推导出基于一般阵列误差模型的信号时空DOA矩阵，采用总体最小二乘法（TLS）估计出多个信号的方位角。俯仰角和多普勒频率，解决了大多数估计算法的性能因阵列误差而严重下降和“频率兼并”问题。此算法对噪声不敏感，不需进行谱峰搜索，仿真结果表明了此算法的有效性。     

Subspace‐based techniques for 2‐d DOA estimation with uniform circular array under local scattering

Abstract

In mobile communication systems, local scatterers in the vicinity of the sources cause angular spreading of radiating signals as seen from a base station antenna array. Thus, the base station antenna array is typically situated on the roof of a high building away from potential multipath reflectors. The uniform circular array (UCA) geometry provides 360° azimuthal coverage and also provides information on source elevation angles. We consider the problem of two‐dimensional (azimuth and elevation) direction‐of‐arrival (DOA) estimation with UCA. In the multipath scenario, the base station antenna can receive many coherent signals that cause the array manifold to be different from the conventional array manifold model. Herein, parameters of the spatial signature in the presence of local scattering are presented which apply to UCA. Then, we present a fast searching technique to improve the efficiency of the MUSIC algorithm for two‐dimensional DOA estimation. The fast signal subspace‐based estimation method utilizes the ESPRIT algorithm and then adopts sequential one‐dimensional searching to save computational cost. Several simulation results are included for illustration and comparison.     

声场分解的均匀圆阵实值MUSIC算法

经典方位角估计算法中未考虑阵列安装支架对阵列接收信号的影响,实际中阵列安装支架必然会对阵列接收信号产生影响。以环绕在刚性球上的均匀圆阵为阵列模型。在对声场特性的分析中将声学原理和阵列信号处理技术相结合,探讨了存在刚性球形障碍物时的声源方位角估计问题。首先从声学理论出发,分析了刚性球体散射声场及声场分解,讨论了刚性球体对圆阵响应的影响;进而结合阵列信号处理技术,在对声场分解所得到的特征波束空间,利用实值MUSIC算法实现了声源方位角估计。计算机仿真表明,该算法能较好地估计出空间多个声源的方位角,且计算量小,估计精度高,具有解相关声源的能力。     

利用时空平均法改善DOA估计性能

在信号子空间类DOA估计算法中 ,自相关矩阵估计的优劣决定了DOA估计的性能 ,但是常规自相关矩阵估计方法是对阵列输出信号做时间平均。然而对于均匀线列阵这一特殊阵型 ,其阵列输出自相关矩阵的具有To eplitz结构。根据均匀线列阵信号的时空平稳特性 ,本文提出一种时空平均的方法来改善自相关矩阵的估计质量 ,即对阵列的自相关矩阵做时间和空间两次平均 ,从而提高了DOA估计的性参 ;仿真结果表明 :在低信噪比或低快拍数的条件下能够明显提高DOA估计性能     

矢量线阵二维波达方位估计的方法

声矢量传感器南声压传感器和质点振速传感器组成,它可以空间共点、时间同步测量声场的声压标量和振速矢量信息。钏对声压线阵无法同时分辨目标的方位角和俯仰角,而三维矢量传感器线阵会带来成本的增加和工程应用上的困难．利用二维矢量传感器组成的直线阵对目标的二维波达方位进行联合估计,详细推导了矢量阵MUSIC算法的数学表达式,并着重对矢量线阵在三维坐标不同轴上时对方位估计的影响进行了研究。仿真结果表明二维矢量线阵布放在水平的X轴或Y轴上时存在方位模糊．而布放在垂直的Z轴上时可以实现全空间无模糊定向,且对双目标也有较高的分辨率。     

基于测深侧扫声呐的DOA估计算法研究

针对测深侧扫声呐进行波达方向(Direction of Arrival, DOA)估计时会受到阵元幅度、相位误差及低信噪比影响的问题,提出一种改进的波束域加权子空间拟合算法。首先,采用总体最小二乘-旋转不变子空间算法进行回波方向预估计;其次,将连续线阵划分为多个子阵,并将各个子阵在预估计方向做加权波束形成;再次,采用加权子空间拟合(Weighted Subspace Fitting, WSF)算法构造代价函数;最后,采用阻尼牛顿法求解得到高精度的DOA估计结果。仿真结果表明,文中所提算法在阵元出现幅度相位误差条件下的角度估计均方误差相对于WSF算法减少了约0.03°。海试数据分析结果表明,文中所提算法的测深点均方误差整体优于WSF算法,其相对测深精度提高了约9.8个百分点。以上分析结果表明,文中所提算法整体优于WSF算法,可以实现在阵元幅度相位误差及低信噪比情况下的高精度DOA估计。     

基于L型稀疏阵列的二维波达方向估计

针对传统的二维波达方向估计方法估计的信源数少、计算复杂度大的问题,提出了一种基于L型稀疏阵列的二维波达方向估计方法,利用安放在L型阵列上的互偶阵列来形成虚拟阵列,从而增加阵列自由度;通过将虚拟阵列分成若干个等间隔稀疏子阵列来压缩角度搜索区间,从而降低计算复杂度;通过MUSIC搜索得到谱峰,并利用最大似然准则筛选和匹配入射信号的俯仰角和方位角。该方法使可估计的信源数超过实际的物理阵元数,不仅提高估计精度且大大降低了计算复杂度。MATLAB仿真结果验证了该方法的有效性。