基于互質陣列的信號波達方向估計算法

劉佳寧　司偉建

摘要：? ? ? 互質陣列具有靈活的天線擺放形式， 相比于均勻陣列， 有更大的陣列孔徑， 可以獲得更高的自由度從而減少硬件資源成本， 因此受到廣泛的關注。 本文針對基于互質陣列的空間平滑MUSIC算法（互質SS-MUSIC算法）估計精度低、 計算量較大的問題， 提出兩種基于Toeplitz矩陣重構的互質陣列DOA估計算法。 兩種算法均利用擴展互質陣列構造虛擬陣列， 然后進行協方差矩陣重構， 重構后的矩陣是Toeplitz矩陣， 對其進行劃分， 對劃分后的矩陣進行特征值分解， 求出信號子空間和噪聲子空間， 從而得到信號的入射角度。 仿真實驗結果表明， 兩種算法均能夠實現信號的欠定DOA估計， 與互質SS-MUSIC算法相比， 兩種算法在低信噪比-5 dB時的測向誤差分別減少1.1°和0.5°， 具有更高的估計精度； 在相同條件下， 運行時間分別減少45.9%和69.1%， 具有更低的計算復雜度。

關鍵詞：? ? ?陣列信號處理； DOA估計； 互質陣列； Toeplitz矩陣； 矩陣重構中圖分類號：? ? ? TJ760; V243.4

文獻標識碼：? ? A文章編號：? ? ?1673-5048（2023）02-0131-06

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0109

0引言

波達方向（Direction of Arrival， DOA）估計在陣列信號處理領域占據重要的地位， 在雷達、 聲吶等眾多方面有著廣闊的應用前景， 因此受到廣泛關注和研究。 為了盡可能提升DOA估計性能， 眾多算法被提出并且應用于實際工程中， 如多重信號分類算法（MUSIC）［1］和旋轉不變子空間算法（ESPRIT）［2］等。 但這些算法能夠估計的信號源數目都不能超過利用的陣元數目， 因此， 想要估計多個信號源， 就要引入更多的天線， 這使得實際工程中硬件成本大大增加。 而稀疏陣列的出現可以很好……