高级搜索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于二阶统计特性的方向向量估计算法的DOA估计

侯进 盛尧宝 张波

侯进, 盛尧宝, 张波. 基于二阶统计特性的方向向量估计算法的DOA估计[J]. 电子与信息学报, 2024, 46(2): 697-704. doi: 10.11999/JEIT230172
引用本文: 侯进, 盛尧宝, 张波. 基于二阶统计特性的方向向量估计算法的DOA估计[J]. 电子与信息学报, 2024, 46(2): 697-704. doi: 10.11999/JEIT230172
HOU Jin, SHENG Yaobao, ZHANG Bo. DOA Estimation of Direction Vector Estimation Algorithm Based on Second-order Statistical Properties[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2024, 46(2): 697-704. doi: 10.11999/JEIT230172
Citation: HOU Jin, SHENG Yaobao, ZHANG Bo. DOA Estimation of Direction Vector Estimation Algorithm Based on Second-order Statistical Properties[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2024, 46(2): 697-704. doi: 10.11999/JEIT230172

基于二阶统计特性的方向向量估计算法的DOA估计

doi: 10.11999/JEIT230172
基金项目: 国家重点研发计划(2020YFB1711902)
详细信息
    作者简介:

    侯进:女,副教授,研究方向为无线电通信、阵列信号处理、深度学习、图像处理

    盛尧宝:男,硕士生,研究方向为阵列信号处理、DOA估计

    张波:男,硕士生,研究方向为光纤信号处理、深度学习

    通讯作者:

    侯进 jhou@swjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TN911.7

DOA Estimation of Direction Vector Estimation Algorithm Based on Second-order Statistical Properties

Funds: The National Key R&D Plan (2020YFB1711902)
  • 摘要: 为了减小天线阵流形误差对波达方向(DOA)估计结果的影响,以及克服基于传统盲源分离算法的DOA估计算法不能应用于少通道测向设备的不足,提出一种基于2阶统计特性的方向向量估计算法的DOA估计算法。首先,根据确定性最大似然(DML)估计算法谱函数的特征,构造关于协方差矩阵的酉约束下的优化问题;然后,通过优化该问题获得各个单信号的实际方向向量;最后,将各个单信号的实际方向向量输入到空间谱算法中实现DOA估计。由于将多信号的DOA估计转化为多个单信号的DOA估计,因此在天线阵列流形存在误差时,所提算法比传统的DOA方法具有更好的DOA估计性能。由于所提算法仅需使用协方差矩阵,因此所提算法可应用于少通道测向设备。由仿真实验结果可知,在阵列流形存在误差以及测向设备为少通道测向设备时,与传统DOA方法相比,所提算法的DOA估计的准确度、抗扰度以及分辨率更高。
  • 图  1  均匀圆阵示意图

    图  2  MUSIC算法空间谱

    图  3  OMP算法空间谱

    图  4  本文算法空间谱

    图  5  不同信噪比下,DOA估计准确度测试

    图  6  不同夹角下,DOA估计准确度测试

    算法1 酉约束下的粒子群算法
     (1) 设置粒子群算法迭代次数上限,初始化粒子群;
     (2) 根据使式(13)最小的原则,对粒子的速度和位置进行更新,
       每次更新后用$\pi $变换将粒子的位置修正为酉矩阵;
     (3) 若达到迭代次数上限或种群中所有粒子的位置都接近粒子群
       的历史最佳位置,则转至步骤4,否则,转至步骤2;
     (4) 粒子群的历史最佳位置即为所需酉矩阵U
    下载: 导出CSV
    算法2 酉约束下的梯度下降算法
     (1) 设置梯度下降算法迭代次数上限,随机初始化酉矩阵U,初
       始化步长$ \gamma = 1 $;
     (2) 计算损失函数$J({\boldsymbol{U}})$的1阶导矩阵${{\boldsymbol{D}}_x}$;
     (3) 计算负梯度Z
     (4) 计算$\left\langle { {\boldsymbol{Z} },{\boldsymbol{Z} } } \right\rangle$,当$\left\langle { {\boldsymbol{Z} },{\boldsymbol{Z} }} \right\rangle$足够小或达到迭代次数上限
       时,转到步骤8;
     (5) $J({\boldsymbol{U} }) - J(\pi ({\boldsymbol{U} } + 2\gamma {\boldsymbol{Z} })) \ge \gamma \left\langle { {\boldsymbol{Z} },{\boldsymbol{Z} }} \right\rangle$,则$ \gamma : = 2\gamma $,重复
       步骤5,否则,执行步骤6;
     (6) $J({\boldsymbol{U} }) - J(\pi ({\boldsymbol{U} } + \gamma {\boldsymbol{Z} })) \prec (1/2)\gamma \left\langle { {\boldsymbol{Z} },{\boldsymbol{Z} } } \right\rangle$,则$\gamma : = (1/2)\gamma$,
       重复步骤6,否则,执行步骤7;
     (7) 更新U,令${\boldsymbol{U}} = \pi ({\boldsymbol{U}} + \gamma {\boldsymbol{Z}})$,转到步骤2;
     (8) 当前状态酉矩阵U即为所需。
    下载: 导出CSV
    算法3 基于2阶统计特性盲源分离的DOA估计算法
     (1) 求样本协方差矩阵$\hat {\boldsymbol{R}}$;
     (2) 使用MMDL算法计算独立信源个数N
     (3) 初始化矩阵${{\boldsymbol{W}}_0}$。对$\hat {\boldsymbol{R}}$进行特征值分解,选取N个大特征值
       所对应的特征向量构成${{\boldsymbol{W}}_0}$;
     (4) 使用算法1或算法2求得所需酉矩阵U
     (5) 令${\boldsymbol{W}} = {{\boldsymbol{W}}_0}{\boldsymbol{U}}$,得到实际方向矩阵W
     (6) 将W的每一列${{\boldsymbol{w}}_n}$输入到式(10)中得到DML伪谱,寻找峰
       值得到波达方向的估计值。
    下载: 导出CSV

    表  1  两种优化算法收敛速度对比

    算法平均收敛次数(次)平均收敛时间(s)
    酉约束下的粒子群算法242.7238
    酉约束下的梯度下降算法521.0495
    下载: 导出CSV

    表  2  3种算法DOA估计结果

    DOA算法DOA估计结果最大误差
    正确DOA[120°], [140°], [160°]
    MUSIC算法[123°], [156°], [223°]63
    OMP算法[111°], [128°], [153°]12
    本文算法[118°], [143°], [164°]4
    下载: 导出CSV
  • [1] FUCHS J, KASPER A, LÜBKE M, et al. High-resolution direction-of-arrival estimation using distributed radar sensors[C]. 2022 IEEE Radio and Wireless Symposium (RWS), Las Vegas, USA, 2022: 53–56.
    [2] 王洪雁, 于若男, 潘勉, 等. 基于协方差矩阵重构的离网格DOA估计方法[J]. 电子与信息学报, 2021, 43(10): 2863–2870. doi: 10.11999/JEIT200697.

    WANG Hongyan, YU Ruonan, PAN Mian, et al. Off-grid DOA estimation method based on covariance matrix reconstruction[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2021, 43(10): 2863–2870. doi: 10.11999/JEIT200697.
    [3] WANG Lei, REN Chunhui, LIU Renting, et al. Direction-of-arrival estimation for nested array using mixed-resolution ADCs[J]. IEEE Communications Letters, 2022, 26(8): 1868–1872. doi: 10.1109/LCOMM.2022.3178617.
    [4] ZHAO Luming, LIU Hongqing, LI Yong, et al. DOA estimation under sensor gain and phase uncertainties[C]. 2015 International Conference on Estimation, Detection and Information Fusion (ICEDIF), Harbin, China, 2015: 209–213.
    [5] SCHENCK D, MESTRE X, and PESAVENTO M. Probability of resolution of MUSIC and g-MUSIC: An asymptotic approach[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2022, 70: 3566–3581. doi: 10.1109/TSP.2022.3178820.
    [6] YANG Zai. Nonasymptotic performance analysis of ESPRIT and spatial-smoothing ESPRIT[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2023, 69(1): 666–681. doi: 10.1109/TIT.2022.3199405.
    [7] GONG Mingyan and LYU Bin. Alternating maximization and the EM algorithm in maximum-likelihood direction finding[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2021, 70(10): 9634–9645. doi: 10.1109/TVT.2021.3106794.
    [8] WANG Wenyi and WU Renbiao. High resolution direction of arrival (DOA) estimation based on improved orthogonal matching pursuit (OMP) algorithm by iterative local searching[J]. Sensors, 2013, 13(9): 11167–11183. doi: 10.3390/s130911167.
    [9] WANG Qing, DOU Tongdong, CHEN Hua, et al. Effective block sparse representation algorithm for DOA estimation with unknown mutual coupling[J]. IEEE Communications Letters, 2017, 21(12): 2622–2625. doi: 10.1109/LCOMM.2017.2747547.
    [10] TIAN Ye, WANG Ran, CHEN Hua, et al. Real-valued DOA estimation utilizing enhanced covariance matrix with unknown mutual coupling[J]. IEEE Communications Letters, 2022, 26(4): 912–916. doi: 10.1109/LCOMM.2022.3148260.
    [11] LIU Jianfei, WU Xiongbin, EMERY W J, et al. Direction-of-arrival estimation and sensor array error calibration based on blind signal separation[J]. IEEE Signal Processing Letters, 2017, 24(1): 7–11. doi: 10.1109/LSP.2016.2632750.
    [12] 侯进, 李昀喆, 李天宇. 基于去噪复数FastICA和稀疏重构的相干信号欠定DOA估计[J]. 通信学报, 2021, 42(11): 172–181. doi: 10.11959/j.issn.1000-436x.2021219.

    HOU Jin, LI Yunzhe, and LI Tianyu. Underdetermined DOA estimation of coherent signals based on denoising complex FastICA and sparse reconstruction[J]. Journal on Communications, 2021, 42(11): 172–181. doi: 10.11959/j.issn.1000-436x.2021219.
    [13] BINGHAM E and HYVÄRINEN A. A fast fixed-point algorithm for independent component analysis of complex valued signals[J]. International Journal of Neural Systems, 2000, 10(1): 1–8. doi: 10.1142/S0129065700000028.
    [14] HU Jing and FAN Lehao. Application of JADE to separate complex-valued sources[C]. 2011 International Conference on Computer Science and Service System (CSSS), Nanjing, China, 2011: 1127–1129.
    [15] 赵自强, 曹岸杰, 杨勇, 等. 基于时间调制的单通道多基线相位干涉仪测向[J]. 电波科学学报, 2023, 38(1): 96–102,129. doi: 10.12265/j.cjors.2022096.

    ZHAO Ziqiang, CAO Anjie, YANG Yong, et al. Single-channel multiple baseline interferometer DF with time modulation[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2023, 38(1): 96–102,129. doi: 10.12265/j.cjors.2022096.
    [16] BAZZI A, SLOCK D T M, and MEILHAC L. Detection of the number of superimposed signals using modified MDL criterion: A random matrix approach[C]. Proceedings of 2016 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), Shanghai, China, 2016: 4593–4597.
    [17] JIANG Jiajia, WEI Wenxue, SHAO Wanlu, et al. Research on large-scale Bi-level particle swarm optimization algorithm[J]. IEEE Access, 2021, 9: 56364–56375. doi: 10.1109/ACCESS.2021.3072199.
    [18] MANTON J H. Optimization algorithms exploiting unitary constraints[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2002, 50(3): 635–650. doi: 10.1109/78.984753.
    [19] ABRUDAN T E, ERIKSSON J, and KOIVUNEN V. Steepest descent algorithms for optimization under unitary matrix constraint[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2008, 56(3): 1134–1147. doi: 10.1109/TSP.2007.908999.
    [20] BIRTEA P, CAŞU I, and COMĂNESCU D. Constraint optimization and SU(N) quantum control landscapes[J]. Journal of Physics A:Mathematical and Theoretical, 2022, 55(11): 115301. doi: 10.1088/1751-8121/ac5189.
  • 加载中
图(6) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  473
  • HTML全文浏览量:  207
  • PDF下载量:  101
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-03-20
  • 修回日期:  2023-07-14
  • 网络出版日期:  2023-07-20
  • 刊出日期:  2024-02-29

目录

    /

    返回文章
    返回