一种基于噪声抑制的相干信号去相干方法

本发明涉及信号处理，特别涉及一种基于噪声抑制的相干信号去相干方法。

背景技术：

1、波达方向(doa)估计作为阵列信号处理的一个重要分支，被广泛应用于雷达、无线通信等领域。由于多径传播的影响，实际应用中广泛存在导致协方差矩阵秩亏缺的相干信号。同时，由于接收信道硬件不理想或者天线阵列未校准，阵列中普遍存在非均匀噪声，非均匀噪声和相干信号的存在都会导致常规子空间类方法性能下降甚至无法准确估计。因此，考虑设计一种在抑制非均匀噪声的同时抑制多径干扰的doa估计方法。

2、在相干信号和非均匀噪声条件下，当前方法通常应用于均匀线阵，通过结合空间平滑技术以及迭代技术抑制非均匀噪声和多径影响，但此方法在估计噪声协方差矩阵时计算量过大，同时其只应用于均匀阵列，存在阵列孔径损失的问题且要求信源数小于阵元数。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术非均匀噪声和相干信号影响doa估计准确度的问题，提出一种基于噪声抑制的相干信号去相干方法，实现在非均匀噪声环境下对相干信号的doa估计，有效提高doa估计精度。

2、为实现上述目的，所采取的技术方案是：

3、一种基于噪声抑制的相干信号去相干方法，包含：

4、建立接收信号模型；

5、基于阵列插值思想，将互质阵列中的物理孔洞填充虚拟传感器等效为插值虚拟均匀阵列，进而构建插值虚拟均匀阵列接收信号模型；

6、对插值虚拟均匀阵列接收信号模型进行初始化，并获得初始化后的信号模型的采样协方差矩阵；

7、对上述采样协方差矩阵进行分解并替换对角线元素得到预白化后的协方差矩阵，抑制非均匀噪声；

8、选取预白化后的协方差矩阵的第一行重构toeplitz矩阵，利用重构的toeplitz矩阵的低秩特性，对该toeplitz矩阵进行稀疏恢复得到对矩阵进行特征分解并采用music算法估计出目标doa。

9、根据本发明基于噪声抑制的相干信号去相干方法，进一步地，假设k个远场窄带相干信源从不同的方向θk(k＝1,2,...,k)入射到互质阵列上，阵元位置表示为d0，则互质阵列上接收信号模型表达式为：

10、

11、其中，s1(t)为原始参照信号，ρ为代表相干系数的非零复值常数系数，为阵列流型矩阵，为互质阵列上的非均匀噪声矩阵。

12、根据本发明基于噪声抑制的相干信号去相干方法，进一步地，将互质阵列中的物理孔洞填充虚拟传感器，等效为插值虚拟均匀阵列且插值虚拟均匀阵列中第ui个阵元接收信号表示为：

13、

14、其中，λ为入射波长；插值虚拟均匀阵列接收信号模型表示为：

15、

16、其中，阵列流型矩阵为插值虚拟均匀阵列上的非均匀噪声矩阵。

17、根据本发明基于噪声抑制的相干信号去相干方法，进一步地，对插值虚拟均匀阵列接收信号模型进行初始化为：

18、

19、其中，表示第l个阵元在集合但不在集合中，则不在集合中的阵元接收的信号看作0。

20、根据本发明基于噪声抑制的相干信号去相干方法，进一步地，获得初始化后的信号模型的采样协方差矩阵包含：

21、插值虚拟均匀阵列接收信号模型的采样协方差矩阵表示如下：

22、

23、其中，t表示快拍数，(·)h表示矩阵共轭转置；

24、那么，初始化后的信号模型的采样协方差矩阵表示为：

25、

26、其中，(p,q)表示矩阵中第p行第q列元素。

27、根据本发明基于噪声抑制的相干信号去相干方法，进一步地，对采样协方差矩阵进行分解如下：

28、

29、其中

30、

31、其中，为除对角线为0的全1矩阵。

32、根据本发明基于噪声抑制的相干信号去相干方法，进一步地，替换对角线元素得到预白化后的协方差矩阵包含：

33、将r2中所有对角线元素替换为最小对角线元素<diag(r2)>min，替换后的r2表示为：

34、

35、预白化后的协方差矩阵表示为：

36、

37、根据本发明基于噪声抑制的相干信号去相干方法，进一步地，利用重构的toeplitz矩阵的低秩特性，对该toeplitz矩阵进行稀疏恢复得到包含：

38、构造优化问题：

39、

40、式中，c为一个与toeplitz矩阵维度相同的二元矩阵，其在toeplitz矩阵非零位置上的值为1，其余位置为0，为厄米特托普利兹结构的矩阵，rank(·)为矩阵的秩，表示哈达玛积；

41、由于秩最小化问题是np难问题，将上式凸松弛为以下形式：

42、

43、最终恢复出的为toeplitz矩阵的估计值，该矩阵实现了对非均匀噪声的预白化且对相干信号去相干。

44、采用上述技术方案，所取得的有益效果是：

45、本发明的基于噪声抑制的相干信号去相干方法实现在互质阵列上抑制非均匀噪声的影响，从而对相干信号进行准确doa估计。与现有方法相比，本发明没有造成阵列孔径损失，通过对采样协方差矩阵进行分解并替换对角线元素实现对非均匀噪声的抑制，通过利用重构的toeplitz矩阵的低秩特性，对该toeplitz矩阵进行稀疏恢复，实现对相干信号的解相干，取得了较好的估计性能。

技术特征：

1.一种基于噪声抑制的相干信号去相干方法，其特征在于，包含：

2.根据权利要求1所述的基于噪声抑制的相干信号去相干方法，其特征在于，假设k个远场窄带相干信源从不同的方向θk(k＝1,2,...,k)入射到互质阵列上，阵元位置表示为d0，则互质阵列上接收信号模型表达式为：

3.根据权利要求2所述的基于噪声抑制的相干信号去相干方法，其特征在于，将互质阵列中的物理孔洞填充虚拟传感器，等效为插值虚拟均匀阵列且插值虚拟均匀阵列中第ui个阵元接收信号表示为：

4.根据权利要求3所述的基于噪声抑制的相干信号去相干方法，其特征在于，对插值虚拟均匀阵列接收信号模型进行初始化为：

5.根据权利要求4所述的基于噪声抑制的相干信号去相干方法，其特征在于，获得初始化后的信号模型的采样协方差矩阵包含：

6.根据权利要求5所述的基于噪声抑制的相干信号去相干方法，其特征在于，对采样协方差矩阵进行分解如下：

7.根据权利要求6所述的基于噪声抑制的相干信号去相干方法，其特征在于，替换对角线元素得到预白化后的协方差矩阵包含：

8.根据权利要求1所述的基于噪声抑制的相干信号去相干方法，其特征在于，利用重构的toeplitz矩阵的低秩特性，对该toeplitz矩阵进行稀疏恢复得到包含：

技术总结本发明涉及信号处理技术领域，特别涉及一种基于噪声抑制的相干信号去相干方法，建立接收信号模型；将互质阵列中的物理孔洞填充虚拟传感器等效为插值虚拟均匀阵列，进而构建插值虚拟均匀阵列接收信号模型；对插值虚拟均匀阵列接收信号模型进行初始化，并获得初始化后的信号模型的采样协方差矩阵；对上述采样协方差矩阵进行分解并替换对角线元素得到预白化后的协方差矩阵，抑制非均匀噪声；选取预白化后的协方差矩阵的第一行重构Toeplitz矩阵，利用重构的Toeplitz矩阵的低秩特性，对该Toeplitz矩阵进行稀疏恢复得到T<supgt;～</supgt;(m)，对矩阵T<supgt;～</supgt;(m)进行特征分解并采用MUSIC算法估计出目标DOA。本发明实现在非均匀噪声环境下对相干信号的DOA估计，有效提高DOA估计精度。技术研发人员：王建辉,杨佑禛,崔维嘉,张剑,巴斌,张艳语,张晋,菅春晓,胡南受保护的技术使用者：中国人民解放军网络空间部队信息工程大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18