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        基于DPT的非線性調(diào)頻信號的DOA估計*

        2011-07-03 00:23:36高春霞張?zhí)祢U譚方青魏世朋
        電子技術(shù)應(yīng)用 2011年10期
        關(guān)鍵詞:波達求根瞬態(tài)

        高春霞,張?zhí)祢U,譚方青,魏世朋

        (重慶郵電大學 信號與信息處理重慶市重點實驗室,重慶 400065)

        非線性調(diào)頻信號是一種具有低頻截獲率的時變信號,它在雷達、聲納、電子對抗、生物醫(yī)學、語音和通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但是對非線性調(diào)頻信號的波達方向估計方法仍處于初步研究階段。目前,人們已經(jīng)提出多種非線性調(diào)頻信號的形式,主要包括多項式相位信號(PPS)和正弦調(diào)頻信號(SFM)。非線性調(diào)頻信號的估計算法大多都是針對多項式相位信號,而對正弦調(diào)頻信號的估計算法研究較少,參考文獻[1]提出的基于離散多項式相位變換的方法僅討論了對正弦調(diào)頻信號的波形重構(gòu),但沒有推導(dǎo)算法,所以現(xiàn)有算法還不完善。目前,還沒有普遍適用的算法,故本文將非線性調(diào)頻信號統(tǒng)一建模成高階多項式相位信號模型。

        多項式相位信號PPS(Polynomial Phases Signal)是信號處理領(lǐng)域中的一個具有重要意義的非平穩(wěn)寬帶信號。寬帶信號高分辨率估計方法主要有兩大類:極大似然估計(MLM)[2]和相干信號子空間方法(CSM)[3]。MLM是一種非線性最優(yōu)化算法,但它運算復(fù)雜,運算量極大。而CSM存在角度預(yù)估計問題,估計精度受預(yù)估計的影響。目前國內(nèi)外學者大多是針對多項式相位信號的相位系數(shù)估計[4-5]進行研究,而對多項式相位信號波達方向(DOA)估計方面的研究甚少,并且針對大于二階的多項式信號的研究也相對較少。在現(xiàn)代電子對抗中,精確估計多項式相位信號的來波方向,實現(xiàn)超分辨測向顯得非常重要。

        本文研究了一種基于 Peleg[6]提出的 DPT方法,對非線性調(diào)頻信號進行DOA估計。離散多項式變換(DPT)是分析恒定振幅多項式相位信號的有力工具,其主要用途是估計相位信號的系數(shù)。該方法估計模型參數(shù),進一步推導(dǎo)了信號參數(shù)與模型參數(shù)的關(guān)系,得出信號參數(shù)的估計公式。且該方法能夠很好地解決非線性調(diào)頻信號的角度估計問題。

        1 離散多項式相位變換

        根據(jù)Weierstrass逼近理論[8],任一閉區(qū)間的連續(xù)函數(shù)都可以用多項式相位函數(shù)來近似。多項式相位變換(PPT)是多項式相位信號檢測與估計普遍采用的一種方法,在用于離散時間信號處理時,又稱為離散多項式相位變換(DPT)。本節(jié)系統(tǒng)地介紹了DPT,給出多項式相位變換的定義[6]。則非線性調(diào)頻信號可建模成:式中,N為采樣長度,Vt為采樣間隔,am為實相位系數(shù),M為相位多項式的階數(shù),b0、am和M統(tǒng)稱為模型參數(shù)。

        接收信號可表示為:

        對于信號s(n),M階PPS信號的一階瞬態(tài)矩DP1[s(n),τ]、二階瞬態(tài)矩DP2[s(n),τ]及三階瞬態(tài)矩DP3[s(n),τ]分別定義為:

        所以高階瞬態(tài)距(HIM)定義為:

        式中,τ為時延長度,0≤τ≤N-1。

        M階離散多項式相位變換 DPTM定義為DPM[s(n),τ]的離散傅里葉變換,表示為:

        將式(2)代入式(8),于是有:

        對于式(3)中的信號模型,經(jīng)多項式變換將其變換為單個諧波和新的噪聲。于是,可以通過計算DPM[s(n),τ]得正弦信號,然后通過FFT將在ω0處呈現(xiàn)峰值。從而可從峰值估計出最高階多項式相位的系數(shù)aM:

        其中,ω0=M!(τVt)M-1aM。τ的選擇與最后參數(shù)估計的精度有關(guān),根據(jù)參考文獻[4]中的分析,當 M>3時,選擇 τ=N/M+2;當 M≤3時,選擇 τ=N/M,此時參數(shù)有較高的估計精度。

        2 陣列信號模型及原理結(jié)構(gòu)圖

        陣列模型為M個陣元的均勻線陣(ULA),陣元間距為d,如圖1所示。假設(shè)有一寬帶的非線性調(diào)頻信號s(t),入射角為θ。其中第一個陣元作為參考陣元,則第 l個陣元上的觀測信號可以表示為:

        nl(t)為第l個陣元相互獨立且與信號無關(guān)的高斯白噪聲;τl是信號 s(t)在第 l個陣元相對于第一個陣元的延時;c為光速;DP2代表其二階瞬時矩;DP3代表其三階瞬時矩;DP[W(n)]代表噪聲的高階瞬時矩。

        3 對單頻正弦信號進行DOA估計

        求根MUSIC算法是MUSIC算法的一種多項式求根形式,兩者具有相同的漸進性能,但是在小樣本的情況下,MUSIC算法不能分辨空間相距比較近的信號,而求根MUSIC算法能夠很好地分辨。故本文采用求根MUSIC對單頻正弦信號進行DOA估計。

        接收信號表示為:

        三階無噪聲污染信號的瞬態(tài)距表示見式(10),則:

        其中,Rls和Rln分別為信號和噪聲協(xié)方差矩陣。對上式協(xié)方差矩陣進行特征分解,可得λ1>λ2,…,λQ>λQ+1=λQ+2=…,λm,其中,Q為信號源個數(shù),信號子空間是由對應(yīng)大特征值組成的特征矢量,而噪聲子空間是由對應(yīng)小特征值組成的特征矢量。

        求根MUSIC算法需要先定義如下一個多項式:

        式中:ei是數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣中小特征值對應(yīng)的M-Q個特征矢量 p(z)=[1,z,…,zM-1]T。

        由以上的定義可知:當z=ejω時,即多項式的根正好位于單位圓上時,p(ejω)是一個空間頻率為ω的導(dǎo)向矢量。由特征結(jié)構(gòu)類算法可知,p(ejω)=p(z)就是信號的導(dǎo)向矢量,所以其與噪聲子空間是正交的。因此,多項式可定義為:

        也就是說只要求得式(19)的根即可獲得有關(guān)信號源到達角的信息,同時發(fā)現(xiàn)多項式存在z*項,這使得求零過程變得復(fù)雜,可將式(19)修正為:

        因為多項式 f(z)的階數(shù)為 2(M-1),所以有(M-1)對根,且每對根是相互共軛的關(guān)系。在這(M-1)對根中有Q個根z1,…,zQ正好分布在單位圓上,即:

        上式考慮的是數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣精確可知時的情況。在實際應(yīng)用中,也就是數(shù)據(jù)矩陣存在誤差時,只需求式(20)的Q個接近于單位圓上的根即可。即對于等距均勻線陣來說,根據(jù)方向?qū)蚴噶緼l可知波達方向。

        由以上分析,可總結(jié)出多項式相位信號波達方向估計的算法流程:

        (1)初始化,令 m=M 和 xm(n)=x(n),其中 1≤n≤N-1;

        (2)對信號進行高階瞬態(tài)矩變換,可以得到變換后的單頻正弦信號HIM3;

        (3)對單頻正弦信號HIM3進行FFT變換;

        (6)替換 m=m-1,直到 m=2為止;

        (7)由式(15)確定信號所對應(yīng)的導(dǎo)向矢量;

        (8)利用求根MUSIC算法進行 DOA估計,估計最終信號的波達方向。

        4 仿真實驗

        實驗一:設(shè)信號模型為:x(n)=s(n)+W(n)=b0exp[j(a1n+a2n2+a3n3)]+W(n),0≤n≤N-1。其中,a1=0.15,a2=0.2/N,a3=0.55/N2,采樣點 N=360,延時 τ=N/3,離散 FFT 時變換的長度為 120×100點,快拍數(shù)為τ。

        圖2給出了本文多項式相位信號分別在沒有噪聲和SNR=20 dB時,經(jīng)過瞬態(tài)矩變換后的信號實部幅值特性圖。從圖中可以看出,經(jīng)過瞬態(tài)矩后,當沒有噪聲時,變換后的信號為正弦信號;當SNR=20 dB時,信號為正弦信號和新的噪聲。

        圖3給出了的均方誤差和CRB差隨信噪比的變化曲線,從圖中可以看出,三階PPS在SNR大于或等于 8 dB時,此方法的估計性能越來越接近克拉美羅線,且隨著信噪比的降低,仿真結(jié)果與理論結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。

        實驗二:在實驗一的基礎(chǔ)上,對信號的波達方向進行估計,且參數(shù)和實驗一相同。信號的入射角為30°。對其進行200次的Monte-Carlo仿真實驗,如圖4所示。

        對信號的波達方向進行估計,從圖4(a)可以看出,本文能較為準確地估計信號的波達方向,且隨著快拍數(shù)的增加逐漸趨于穩(wěn)定。圖4(b)是在不同陣元的情況下誤差分析,在相同信噪比的情況下,陣元數(shù)越多估計性能就越好。陣元數(shù)為10要比陣元數(shù)為6的估計性能要好一些,陣元數(shù)為6要比陣元數(shù)為4的好一些。

        本文提出了一種非線性調(diào)頻信號的波達方向估計方法。推導(dǎo)了該方法的具體步驟,并給出了相應(yīng)的仿真分析,理論分析和仿真結(jié)果表明,在大于或等于8 dB時能很好地估計出多項式相位信號的來波方向,計算量大大減少,算法相對簡單很多。

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