亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        基于波束空間的改進(jìn)TOPS寬帶DOA估計(jì)

        2018-10-11 02:34:42張立文許可萬建偉陳勇
        聲學(xué)技術(shù) 2018年4期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)

        張立文,許可,萬建偉,陳勇

        ?

        基于波束空間的改進(jìn)TOPS寬帶DOA估計(jì)

        張立文,許可,萬建偉,陳勇

        (國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410072)

        提出了一種基于波束空間的改進(jìn)投影子空間正交性測(cè)試算法,以克服投影子空間正交測(cè)試(Test of Orthogonality of Projected Subspace, TOPS)算法在低信噪比時(shí)容易出現(xiàn)偽峰的缺點(diǎn)。通過對(duì)TOPS算法中的正交性測(cè)試矩陣添加對(duì)角修正矩陣,并利用波束空間方法對(duì)陣元接收數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)寬帶信號(hào)的波達(dá)方向估計(jì)。仿真結(jié)果表明,文中所提出算法與TOPS算法相比,能夠抑制波束指向范圍內(nèi)的偽峰,并能提高分辨概率和減少運(yùn)算量,是一種具有應(yīng)用前景的新算法。

        波達(dá)方向估計(jì);投影子空間正交性測(cè)試;波束空間;寬帶信號(hào)

        0 引言

        陣列信號(hào)處理的一個(gè)重要研究方向就是波達(dá)方向(Direction-Of-Arrival, DOA)估計(jì)。傳統(tǒng)的DOA估計(jì)算法都是針對(duì)窄帶信號(hào),并且技術(shù)比較成熟。但是隨著科技的發(fā)展,聲吶、雷達(dá)、通信等領(lǐng)域所利用的頻段越來越寬,因而寬帶信號(hào)的DOA估計(jì)成為當(dāng)前陣列信號(hào)處理的研究重點(diǎn)。

        對(duì)于寬帶信號(hào),由于不同頻點(diǎn)處的導(dǎo)向矢量不同,導(dǎo)致陣列輸出的相位差也有差異,因而窄帶DOA估計(jì)的方法不能直接運(yùn)用到寬帶DOA估計(jì)。當(dāng)前,寬帶DOA估計(jì)方法主要分為兩類:一類是非相干信號(hào)子空間法(Incoherent Signal-subspace Method, ISM);另一類是相干信號(hào)子空間法(Coherent Signal-subspace Method, CSM)[1]。ISM算法是將寬帶信號(hào)通過離散傅里葉變換分解成多個(gè)窄帶信號(hào),對(duì)每個(gè)窄帶信號(hào)使用窄帶方法處理,最后把各窄帶處理結(jié)果加權(quán)平均得到最終寬帶DOA估計(jì)結(jié)果。由于該方法只是利用各個(gè)子帶的頻段信息而不是寬帶信號(hào)的全部信息,因而在低信噪比下的目標(biāo)分辨率較低。CSM算法主要利用聚焦矩陣將寬帶信號(hào)分解成的多個(gè)窄帶信號(hào)變換到某一參考頻率上,從而利用窄帶DOA估計(jì)方法得到寬帶DOA估計(jì)。但是該方法對(duì)預(yù)估值比較敏感,聚焦矩陣的構(gòu)造直接影響最終的估計(jì)結(jié)果。

        文獻(xiàn)[2]提出投影子空間正交性測(cè)試(Test of Orthogonality of Projected Subspace, TOPS)算法,該算法的核心是構(gòu)造一個(gè)變換矩陣,將某一參考頻點(diǎn)處的信號(hào)子空間變換到任意頻點(diǎn)處,最后判斷參考頻點(diǎn)處信號(hào)子空間與各頻點(diǎn)處噪聲子空間的投影構(gòu)成的測(cè)試矩陣的缺秩程度得到寬帶DOA估計(jì)。因?yàn)樵诘托旁氡葧r(shí),參考頻點(diǎn)處的信號(hào)子空間存在誤差而影響正交性測(cè)試,所以該方法在低信噪比下的目標(biāo)分辨率仍然較低,且容易出現(xiàn)偽峰。

        針對(duì)該缺點(diǎn),本文提出一種改進(jìn)的TOPS算法,通過對(duì)正交性測(cè)試矩陣添加一個(gè)對(duì)角修正矩陣來抑制偽峰,并且利用波束空間方法對(duì)陣元接收數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。仿真實(shí)驗(yàn)表明,改進(jìn)算法能夠抑制波束指向范圍出現(xiàn)偽峰、提高分辨概率和減少運(yùn)算量,得到了較好的估計(jì)效果。

        1 信號(hào)模型和TOPS算法

        1.1 寬帶信號(hào)模型

        1.2 投影子空間正交性測(cè)試(TOPS)算法

        TOPS算法的關(guān)鍵在于構(gòu)造一個(gè)與角度和頻率有關(guān)的變換矩陣,在不改變信號(hào)DOA的情況下,利用該矩陣把參考頻點(diǎn)處的信號(hào)子空間變換到任意頻點(diǎn)處[3]。由文獻(xiàn)[2]可知,該變換矩陣的對(duì)角元素為:

        2 基于波束空間的改進(jìn)TOPS算法

        因而,可得到DOA估計(jì)為

        本文對(duì)上述MTOPS算法作進(jìn)一步改進(jìn),提出基于波束空間的改進(jìn)算法,該方法簡(jiǎn)記為BMTOPS。

        因?yàn)槌R?guī)波束形成器的加權(quán)向量即為陣列導(dǎo)向矢量[7],則對(duì)于陣元的均勻線列陣而言,其導(dǎo)向矢量為

        構(gòu)造一個(gè)由個(gè)已知導(dǎo)向矢量組成的波束形成矩陣:

        其中:為需要形成的波束個(gè)數(shù),一般要使得形成的波束指向范圍覆蓋所有期望信號(hào)的來波方向。

        此時(shí),通過波束形成矩陣處理后的陣列輸出為

        此時(shí),對(duì)經(jīng)過波束空間預(yù)處理后得到的協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解,從而獲得該頻點(diǎn)處的信號(hào)子空間和噪聲子空間,再結(jié)合MTOPS算法原理,從而得到寬帶DOA估計(jì)值。

        綜上所述,基于波束空間的改進(jìn)TOPS算法可歸納為以下步驟:

        (1) 對(duì)陣列接收數(shù)據(jù)做DFT變換,從而將寬帶信號(hào)分解成個(gè)窄帶信號(hào);

        (2) 設(shè)計(jì)覆蓋信號(hào)來波方向的個(gè)波束,構(gòu)造波束形成矩陣;

        3 仿真實(shí)驗(yàn)

        圖1、2、3分別是在信噪比為-10 dB時(shí),用上述三種方法仿真得到的空間譜。由圖1~3中可以看出,三種方法都能分辨出兩個(gè)信號(hào),但是TOPS算法中存在許多偽峰,而MTOPS算法中不存在偽峰。雖然BMTOPS算法也有偽峰出現(xiàn),但是在波束指向范圍內(nèi)沒有偽峰出現(xiàn);并且該算法得到的峰值最為尖銳,MTOPS算法次之。由此說明,改進(jìn)后的算法能夠抑制偽峰,提高分辨效果。

        其次對(duì)三種算法在不同信噪比下的分辨概率進(jìn)行比較。每種算法進(jìn)行50次蒙特卡羅仿真實(shí)驗(yàn)。若對(duì)于單次實(shí)驗(yàn),算法能夠準(zhǔn)確區(qū)分出兩個(gè)信號(hào)并且估計(jì)所得的結(jié)果與實(shí)際值之間的誤差在2° 之內(nèi),則認(rèn)為分辨正確。將正確分辨的次數(shù)與仿真次數(shù)之間的比值定義為分辨概率。

        圖1 TOPS算法空間譜

        圖2 MTOPS算法空間譜

        圖3 BMTOPS算法空間譜

        圖4 三種算法在不同信噪比下的分辨概率

        再利用估計(jì)均方根誤差(Root Mean Square Error, RMSE)來評(píng)價(jià)三種算法在不同信噪比下的DOA估計(jì)性能。定義均方根誤差為

        圖5 不同信噪比下8° 方向信號(hào)源的DOA估計(jì)均方根誤差

        圖6 不同信噪比下12° 方向信號(hào)源的DOA估計(jì)均方根誤差

        為了驗(yàn)證該結(jié)論,本文記錄了在不同陣元個(gè)數(shù)時(shí),TOPS算法、MTOPS算法和BMTOPS算法的運(yùn)算時(shí)間。除陣元個(gè)數(shù)變化外,其余仿真條件與以上實(shí)驗(yàn)相同。

        表1給出了三種算法的運(yùn)算時(shí)間。由此可以看出,BMTOPS算法的運(yùn)算時(shí)間要小于另外兩種算法,特別是在陣元個(gè)數(shù)越多時(shí),時(shí)間縮減越明顯。但是隨著陣元數(shù)的減少,這種運(yùn)算時(shí)間上的優(yōu)勢(shì)也隨之降低,這是因?yàn)榇藭r(shí)算法需要形成的波束數(shù)也隨之減少。一般對(duì)于10陣元的陣列,形成3個(gè)波束便可滿足要求[3]。因而,當(dāng)陣元個(gè)數(shù)較多時(shí),本文提出的算法能夠有效地減少運(yùn)算量。

        表1 三種算法的運(yùn)算時(shí)間(s)

        4 結(jié)論

        為了克服TOPS算法經(jīng)常容易出現(xiàn)偽峰的缺點(diǎn),文中通過對(duì)TOPS算法中的正交性測(cè)試矩陣添加對(duì)角修正矩陣,提出了MTOPS算法;并且在此基礎(chǔ)上,將波束空間方法與MTOPS算法相結(jié)合,得到了基于波束空間的改進(jìn)TOPS算法(BMTOPS)。該算法不僅提高了分辨概率、降低了分辨信噪比門限,還能夠保證在波束指向范圍內(nèi)不出現(xiàn)偽峰。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),在高信噪比時(shí),三種算法的估計(jì)性能比較相近;但是在低信噪比時(shí),BMTOPS算法的估計(jì)性能要優(yōu)于另外兩種算法。并且由于運(yùn)用波束空間預(yù)處理降低了協(xié)方差矩陣的維數(shù),因而對(duì)于陣元個(gè)數(shù)較多的情況,BMTOPS算法的運(yùn)算量要小于另外兩種算法。

        [1] KRIM H, VIBERG M. Two decades of array signal processing research: the parametric approach[J]. IEEE Trans. Signal Process, 1996, 13(4): 67-94.

        [2] YOON Y S, KAPLAN L M, MCCLELLAN J H. TOPS: new DOA estimator for wideband signals[J]. IEEE Trans. Signal Process, 2006, 54(6): 1977-1989.

        [3] 施思, 鮑慶龍, 陳曾平. 應(yīng)用于波束域的改進(jìn)TOFS算法[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù), 2015, 13(3): 314-319.

        SHI Si, BAO Qinglong, CHEN Zengping. An Improved TOFS Algorithm for DOA Estimation in Beam Space Domain[J]. Radar Science and Technology, 2015, 13(3): 314-319.

        [4] YU H, LIU J, HUANG Z, et al. A new method for wideband DOA estimation[C]//IEEE. WiCOM2007, 2007, 598-601.

        [5] 謝堅(jiān), 陳瑩瑩. 基于TOFS的寬帶信號(hào)波束空間DOA估計(jì)[J].電子科技,2012, 25(6):60-63.

        XIE Jian, CHEN Yingying. TOFS-based beam space wideband DOA estimator[J]. Electronic Science and Technology, 2012, 25(6): 60-63.

        [6] OHTSUKI T, IKEDA S, OKANE K. Improvement of estimation accuracy of wideband DOA estimation “TOPS”[C]//APSIPA ASC 2009, 2009: 98-104.

        [7] 杜梓冰, 楊坤德. 低信噪比下重構(gòu)協(xié)方差矩陣的高分辨MUSIC算法[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2013, 34(5): 373-378.

        DU Zibing, YANG Kunde. High resolution MUSIC algorithm reconstructing covariance matrix in low SNR[J]. Technical Acoustics, 2013, 34(5): 373-378.

        [8] OKANE K, OHTSUKI T. Resolution improvement of wideband direction-of-arrival estimation Squared-TOPS[C]//IEEE ICC2010, 2010: 1-5.

        [9] FENG D, BAO M, YE Z, et al. A novel wideband DOA estimator based on Khatri-Rao subspace approach[J]. Signal Process, 2011, 91(10): 2415-2419.

        [10] ZHANG J, DAI J, YE Z. An extended TOPS algorithm based on incoherent signal subspace method[J]. Signal Processing, 2010, 90(12): 3317-3324.

        [11] 李焜, 方世良. 基于波束域的子空間正交性測(cè)試寬帶DOA估計(jì)方法研究[J]. 信號(hào)處理, 2012, 28(1): 131-138.

        Li Kun, Fang Shiliang. Research on the wideband DOA estimation with test of orthogonality of subspace based on beam space[J]. Signal Processing, 2012, 28(1): 131-138.

        [12] LIU D, LI Z, GUO X, et al. DOA estimation for wideband LFM signals with a few snapshots[J]. Eurasia Journal on Wireless Communications & Networking, 2017, 2017(1): 28.

        [13] LI J, WANG F, JIANG D. DOA Estimation based on real-valued cross correlation matrix of coprime arrays[J]. Sensors, 2017, 17(3): 638.

        [14] 張濤濤, 張興敢. 基于改進(jìn) MUSIC算法的寬帶 DOA估計(jì)[J]. 南京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 52(5): 932-938.

        ZHANG Taotao, ZHANG Xinggan. Broadband DOA estimation based on an improved MUSIC algorithm[J]. Journal of Nanjing University (Natural Sciences), 2016, 52(5): 932-938.

        [15] YOON Y S, KAPLAN L M, MCCLELLAN J H. DOA Estimation of Wideband Signals[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2006, 24(1): 116-121.

        DOA estimation of wideband signals based on modified TOPS in beamspace domain

        ZHANG Li-wen, XU Ke, WAN Jian-wei, CHEN Yong

        (National University of Defense Technology, College of Electronic Science, Changsha 410072, Hunan, China)

        In this paper, a modified TOPS (test of orthogonality of projected subspace) algorithm based on beamspace, named BMTOPS algorithm, is proposed to overcome the shortcoming of TOPS algorithm that the false peak is easy to appear at low signal to noise ratio. A diagonal correction matrix is added to the orthogonality test matrix in the TOPS algorithm, and the beamspace method is applied to preprocessing the received data of the array, so as to achieve the DOA estimation of wideband signal. Simulation results show that compared with TOPS algorithm, BMTOPS algorithm can suppress false peaks in beam direction, improve resolution probability and reduce computation, which would be a new algorithm with application prospect.

        direction-of-arrival (DOA) estimation; Test of Orthogonality of Projected Subspace (TOPS); beamspace; wideband signals

        TN911

        A

        1000-3630(2018)-04-0393-05

        10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.04.017

        2017-07-10;

        2017-09-20

        國(guó)防科技大學(xué)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(ZDYYJCYJ20140701)、國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61601209)

        張立文(1991-), 男, 安徽蒙城人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)楝F(xiàn)代信號(hào)處理、陣列信號(hào)處理。

        張立文,E-mail:yuanfen8056@163.com

        猜你喜歡
        信號(hào)
        信號(hào)
        鴨綠江(2021年35期)2021-04-19 12:24:18
        完形填空二則
        7個(gè)信號(hào),警惕寶寶要感冒
        媽媽寶寶(2019年10期)2019-10-26 02:45:34
        孩子停止長(zhǎng)個(gè)的信號(hào)
        《鐵道通信信號(hào)》訂閱單
        基于FPGA的多功能信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)
        電子制作(2018年11期)2018-08-04 03:25:42
        基于Arduino的聯(lián)鎖信號(hào)控制接口研究
        《鐵道通信信號(hào)》訂閱單
        基于LabVIEW的力加載信號(hào)采集與PID控制
        Kisspeptin/GPR54信號(hào)通路促使性早熟形成的作用觀察
        青青草视频在线播放观看| 艳妇臀荡乳欲伦交换在线播放| 亚洲精品中文字幕91| 国产自拍高清在线观看| 亚洲a无码综合a国产av中文| 男女18禁啪啪无遮挡激烈网站| 成品人视频ww入口| 久久精品无码专区免费青青| 久久亚洲精品无码gv| 高清国产亚洲va精品| 少妇av免费在线播放| 亚洲av熟女传媒国产一区二区| 噜噜噜噜私人影院| 免费国产黄网站在线观看可以下载| 无码国产激情在线观看| 91免费国产| 国产一区二区三区 在线观看| 在线播放草猛免费视频| 午夜人妻久久久久久久久| 国产精品亚洲一区二区在线观看| 国产无遮挡a片又黄又爽| 在线观看精品国产福利片87| 久久精品人妻中文av| 久久99国产精品久久99| 野外性史欧美k8播放| 国产真实伦视频在线视频| 一级一片内射视频网址| 一本色道久久88加勒比一| 久久久国产精品免费a片3d| 日本欧美在线播放| 无码高潮久久一级一级喷水| 男女深夜视频网站入口| 国产乱子轮xxx农村| 国产女主播喷水视频在线观看| 二区久久国产乱子伦免费精品| 亚洲一区中文字幕视频| 天堂中文а√在线| 日本55丰满熟妇厨房伦| 美女黄网站永久免费观看网站| 国语对白福利在线观看| 午夜免费福利小电影|