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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 $变换将粒子的位置修正为酉矩阵;
     (3) 若达到迭代次数上限或种群中所有粒子的位置都接近粒子群
       的历史最佳位置,则转至步骤4,否则,转至步骤2;
     (4) 粒子群的历史最佳位置即为所需酉矩阵U
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    算法2 酉约束下的梯度下降算法
     (1) 设置梯度下降算法迭代次数上限,随机初始化酉矩阵U,初
       始化步长$ \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。
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    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。
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    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
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    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
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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:  2024-02-10

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