非均匀噪声背景下混合信号DOA估计算法

针对非均匀噪声背景下非相关信源与相干信源并存时波达方向(DOA)估计问题，提出了基于迭代最小二乘和空间差分平滑的混合信号DOA估计算法。首先，该算法利用迭代最小二乘方法得到噪声协方差矩阵估计，然后对数据协方差矩阵进行“去噪”处理，利用子空间旋转不变技术实现非相关信源DOA估计；其次，基于空间差分法消除非相关信号并构造新矩阵进行前后向空间平滑，利用求根MUSIC算法估计相干信源DOA。相比于传统算法，该算法能估计更多的信源数，在低信噪比情况下DOA估计性能更优越。仿真实验结果验证了该算法的有效性。      

基于协方差匹配SLO算法的MIMO雷达DOA估计

利用加权平滑l0范数(Smoothed l0, SL0)算法估计MIMO雷达目标DOA时,需要把协方差矩阵进行矢量化来获得相应的稀疏重构模型,并利用信号和噪声子空间的正交性来构造加权向量。然而当存在相干信源时,MIMO雷达协方差矩阵的秩将退化,这会使得稀疏重构模型的误差较大以及无法正确区分信号和噪声子空间,导致加权SL0算法的DOA估计性能恶化。针对上述问题提出了一种基于协方差匹配SL0算法的MIMO雷达DOA估计方法。该方法利用协方差匹配准则重构出一个满秩的协方差矩阵,恢复MIMO雷达协方差矩阵的Toeplitz特性,并利用协方差逆矩阵的高阶幂来近似噪声子空间从而计算加权向量。仿真分析表明,该方法能够在无需预知信源数目的情况下有效地完成对相干信号的DOA估计。     

估计间隔较近信源的修正MUSIC算法

针对信源间隔比较近情况下波达方向(DOA)估计性能下降的问题,提出一种修正MUSIC(MMUSIC)算法。该算法通过利用协方差矩阵的共轭信息,重构协方差矩阵,再由奇异值分解(SVD),构造低秩矩阵,用这两个矩阵噪声子空间的平均构造空间谱,通过谱峰搜索估计出信源的DOA。相比于经典MUSIC算法和空间平滑类算法,该算法能有效解相干,且不损失阵列孔径,而且提高了在信源间隔比较近且信噪比低条件下DOA分辨能力。计算机仿真验证了该算法的有效性。     

基于TLS的改进子空间投影算法

针对经典MUSIC算法在信源相干、低信噪比、小快拍数等非理想环境下性能失效的问题,提出了一种改进的基于TLS的加权子空间投影算法。首先对阵列接收的数据协方差矩阵进行重构处理,以达到解相干目的;其次充分利用子空间信息,基于总体最小二乘拟合方法对特征值进行拟合修正,基于修正MUSIC算法思想,利用校正后的噪声特征值和信号特征值分别对噪声子空间和信号子空间进行加权处理,得到改进后的噪声子空间和信号子空间,并将两者结合得到新的空间谱函数;最后进行谱峰搜索,完成信号源的波达方向估计。仿真结果表明,改进后的算法既适用于相干信号环境,在低信噪比、小快拍数及信号入射角度间隔较小的情况下,又能有效估计出信源的波达方向。     

基于相干积累矩阵重构的波达方向估计新方法

针对短时小样本条件下相干信号的波达方向(Direction Of Arrival, DOA)估计问题,该文提出了一种基于相干积累矩阵重构的快速解相干方法。首先利用相干积累技术对阵列接收快拍进行处理,得到累积快拍矢量,提高了数据信噪比。再依据累积快拍矢量的结构特点构造一个非降维等效协方差矩阵,理论分析可知,该矩阵的秩仅与信源个数相等,与信号间相关性无关,即实现了相干信源完全解相干。相较于空间平滑类算法,该方法避免了阵列孔径损失,估计精度高、计算量小。仿真结果验证了算法的有效性。      

一种DOA估计的T差分平滑快速算法

针对未知非平稳噪声背景下相干信源的波达方向估计问题,提出了一种T差分平滑快速(TDSF)算法,算法根据非平稳噪声对角占优的特性,通过构造一个T矩阵,对协方差矩阵进行T变差分平滑运算,可同时分辨相干和非相干信源.算法采用幂迭代法直接获得噪声子空间,无需特征值分解,运算量较小,可有效地消除非平稳复噪声的影响,且不存在伪峰问题,适用于广泛的未知非平稳噪声和低信噪比环境.计算机仿真实验证实了算法的有效性.     

宽带协方差矩阵的多字典联合稀疏表示DOA估计

为了直接处理相干宽带信号和提高其波达方向估计的分辨率,提出一种基于宽带协方差矩阵的多字典联合稀疏分解估计方法。首先,利用多个频率点处的过完备基对其协方差矩阵进行稀疏表示,然后形成多个字典的多测量矢量稀疏表示模型,最后通过多字典稀疏表示系数的联合稀疏约束以求解稀疏反问题的形式实现宽带信号的波达方向估计。对于均匀线阵结构,多字典协方差矩阵稀疏表示系数的联合稀疏性使其不再受空域采样条件的限制,既可通过增大阵元间距提高分辨率,而又无空域混叠现象。通过对噪声功率的预估计抑制噪声,提高了波达方向估计的稳健性。另外,该方法与信号协方差矩阵的秩无关,对相干信号和不相干信号都适用。仿真实验验证了该方法的有效性。      

一种基于矩阵三对角化分解的DOA估计算法

针对DOA（Direction of Arrival）估计在低信噪比的情况下估计性能下降的问题, 根据阵列协方差矩阵共轭对称的特点,采用基于Givens变换的三对角化分解方法对协方 差矩阵进行三对角化,同时利用盖氏(Gerschgorin)圆递推方法准确估计信号子空间的秩, 然后再对三对角 矩阵进行对角化,估计出噪声子空间,利用噪声子空间与导向矢量正交实现波达方向估计, 改善了低信噪比背景下估计的误差性能和稳健性。计算机仿真证明了算法的有效性 。     

基于自适应步长萤火虫-多重信号分类算法的低空目标波达方向估计

该文针对传统多重信号分类算法(MUSIC)不适用于低空多径环境下目标波达方向(DOA)估计且谱峰搜索计算量大的问题,在解相干基础上,提出一种基于自适应步长萤火虫算法的多重信号分类算法.该方法通过对快拍数据协方差矩阵虚拟平滑实现多径信号的完全解相干和满秩相关矩阵的构造,利用自适应步长萤火虫算法实现谱峰搜索和目标角度估计.仿真结果表明,新方法能够在无孔径损失的情况下较好克服低空多径效应影响,快速、精确地估计目标波达方向.      

相干信源DOA估计修正ESPRIT算法研究

针对相干信源DOA估计提出了一种修正ESPRIT算法,利用时域白噪声信号在不同时刻是不相关的性质,通过对在虚拟平移天线阵列过程中所得阵列的输出数据协方差矩阵进行修正,可减小白噪声的影响.该算法对独立源和相干信源的DOA估计有较高的分辨率,计算量较小,即使在低信噪比、低快拍数和小阵元数的条件下,仍具有很小的估计误差.能较准确地进行相干源的DOA估计.仿真结果验证了修正ESPRIT算法的正确性和有效性.     

MODE SPACE SMOOTHING ALGORITHM TO ESTIMATE DOA OF COHERENT SIGNALS IMPINGING ON UNIFORM CIRCULAR ARRAY

A novel method to estimate DOA of coherent signals impinging on a uniform circular array( UCA) is presented in this paper. A virtual uniform linear array (VULA) is first derived by using spatial DFT technique, transforming the UCA from element space to phase mode space to obtain the properties of ordinary ULA, and then the well known spatial smoothing technique is applied to the VULA so that the lost rank of covariance matrix due to signal coherence can be retrieved. This method makes it feasible to use the simple MUSIC algorithm to estimate DOA of coherent signals impinging on a UCA without heavy computation burden. Simulation results strongly verify the effectiveness of the algorithm.     

基于贪婪算法的高分辨信号源DOA估计

确定辐射源的来波方向(DOA)是阵列信号处理的重要研究内容,已经广泛应用于雷达、声纳和无线通信等领域。本文研究了远场窄带信号源的DOA高分辨估计问题。利用信号来波方向在空域具有稀疏性的特点,建立了远场窄带信号源的稀疏表示模型。根据协方差矩阵的特征值分解和贪婪匹配追踪算法原理提出了一种基于特征值分解的多重正交匹配追踪算法（EIG MOMP）。首先,利用特征值分解对阵列接收数据进行降维处理。这一降维操作使得问题转化为了一个具有多重观测向量（MMV）的欠定方程求解问题。接着利用MOMP算法对降维后的数据进行处理,最终得到信号的DOA估计值。该算法实现了在低信噪比下远场窄带信号源的高分辨DOA估计,并具有较低的运算复杂度。将本文提出的算法与传统的Capon算法、多重信号分类算法（MUSIC）以及正交匹配追踪算法（OMP）进行了对比。结果证明,该算法在低信噪比下能取得较好的DOA估计效果,可以针对任意的相干信号源,并且具有高分辨率的优点。      

非均匀噪声条件下的互质阵列欠定DOA估计方法

针对基于互质阵列的欠定DOA估计方法在非均匀噪声条件下性能下降的问题,该文提出一种基于协方差矩阵重构和矩阵填充的鲁棒DOA估计方法。首先,将接收数据协方差矩阵分解,得到包含非均匀噪声项的对角阵;然后,选取对角线元素中的最小值,替换其余对角线元素,进而得到重构后的数据协方差矩阵;最后,对重构后的协方差矩阵进行扩展和矩阵填充,结合子空间方法进行DOA估计。理论分析和仿真结果表明,相对于现有方法,该文方法有效地抑制了非均匀噪声的影响,有更好的DOA估计性能。     

DOA Estimation of Coherent Signals Based on Coherent Accumulation Vector

The direction-of-arrival (DOA) method based on multiple Toeplitz matrices reconstruction (MTOEP) method that employs all rows of the array output covariance matrix to reconstruct the Toeplitz matrix, which can effectively resolve coherent signals. However, the existing MTOEP method suffers serious performance degradation when in low signal-to noise (SNR) owing to the square transformation of noise energy. In this paper, a modified MTOEP method based on coherent accumulation processing is proposed. Firstly, because the strong coherence of the narrowband signal and the uncorrelated noise at adjacent snapshots, the accumulation vector is obtained via performing coherent accumulation processing on multiple snapshots. Then, the Toeplitz matrix can be reconstructed by exploiting the coherent accumulation vector and the received data from all sensors, which improves the signal energy, and further results in the improvement of the SNR. Finally, the DOAs can be estimated via the subspace-based methods. Theoretical analysis and simulation results show that compared with the existing MTOEP method, the proposed method provides an improved DOA estimation accuracy and a higher probability of successful resolution at low SNR.

     

空间非平稳噪声下的宽带DOA估计算法

投影子空间正交性测试(TOPS)法是利用子空间的正交性实现宽带信号DOA估计,而在空间非平稳噪声环境下子空间的正交性条件不再满足,尤其是在低信噪比或低快拍条件下子空间估计将出现较大误差,TOPS算法性能将急剧下降。针对该问题,提出了一种空间非平稳噪声下宽带DOA估计算法。该算法首先通过构造特殊对角矩阵将噪声从数据协方差矩阵中剔除,从而克服非平稳噪声对DOA估计的影响;然后利用平方TOPS法实现宽带信号DOA估计,消除了传统TOPS算法中的伪峰。该算法适用于空间非平稳噪声背景及低信噪比环境,提高了对角度相近目标的分辨性能;仿真实验表明了该算法的有效性。     

基于张量四元数极化平滑的极化-DOA估计

为了解决相干信号的极化平滑算法在小快拍数和低信噪比条件下估计性能较差的问题,结合四元数的正交特性和协方差张量方法,提出了一种基于张量四元数的极化平滑多重信号分类（Multiple Signal Classification,MUSIC）解相干算法。首先,为了充分利用接收数据样本中的多维结构信息,建立了由张量四元数表示的柱面共形阵列极化平滑信号模型;其次,将平滑后的张量协方差矩阵通过高阶奇异值分解得到信号子空间;最后,通过极化秩亏MUSIC算法对入射相干信号分别进行二维波达方向（Direction of Arrival,DOA）估计和极化参数估计。仿真结果表明,该算法在小快拍数和低信噪比条件下具有更高的估计精度和分辨能力。     

针对相干信号DOA估计的改进MUSIC算法

针对相干信号波达方向(Direction of Arrival, DOA)估计,提出了一种改进的多重信号分类(Multiple Signal Classification, MUSIC)算法。首先,利用信号协方差矩阵的两个最大特征值所对应的特征向量,构造出两个Toeplitz矩阵;然后,利用前后向空间平滑思想得到这两个矩阵的无偏估计并求和;最后,利用MUSIC算法从中估计出相干信号DOA。和已有方法相比,该方法无需损失阵列孔径且具有更优的DOA估计性能。     

未知信源数目的DOA估计方法

针对信源数目未知情况下的DOA估计问题,该文提出了两种基于稀疏表示的DOA估计方法。一种是基于阵列协方差矩阵特征向量稀疏表示的DOA估计方法,首先证明了阵列协方差矩阵的最大特征向量是所有信号导向矢量的线性组合,然后利用阵列协方差矩阵的最大特征向量建立稀疏模型进行DOA估计;另一种是基于阵列协方差矩阵高阶幂稀疏表示的DOA估计方法,根据信号特征值大于噪声特征值的特性,通过对协方差矩阵的高阶幂逼近信号子空间,利用协方差矩阵的高阶幂的列向量建立DOA估计的稀疏模型进行DOA估计。理论分析和仿真实验验证,两种方法都不需要进行信号源数目的估计,具有较高的精度、较好的分辨力,对相干信号也具有优越的适应能力。     

基于L型和差嵌套阵的二维波达方向估计

针对传统L型均匀阵列二维波达方向（Direction of Arrival,DOA）估计中可估计信源数目受限于阵元数、分辨率低等问题,提出了一种新的L型和差嵌套阵列结构。该L型阵列的两个子阵布置相同,是非均匀的稀疏阵,通过阵元位置之间的差分、求和操作达到虚拟扩展阵元数目的效果,从而提升阵列的自由度。采用该阵列进行二维DOA估计时,两个子阵分别先进行一维的DOA估计,再采用PSCM（Pair-matching Signal Covariance Matrices）算法进行一维角度配对。每个子阵进行一维波达方向估计时,先采用VCAM（Vectorized Conjugate Augmented MUSIC）算法生成非均匀稀疏阵的求和求差协方差矩阵,再采用矩阵重构的方法恢复协方差矩阵的秩,最后对协方差矩阵采用MUSIC（Multiple Signal Classification）算法进行DOA估计。实验仿真表明,本阵列有着更高的自由度和估计精度。