维普资讯 http://www.cqvip.com 第29卷第4期 2008年4月 哈尔滨工程大学学报 Vo1.29№.4 Apr.2008 Journal of Harbin Engineering University 基于修正ESPRIT算法的二维DOA估计 呜,吴小强,张鹏 (哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150001) 摘要:针对二维ESPRIT算法在求解相干信号的时候存在较大的阵列冗余度,为了降低计算量,提高算法的解相 干能力,在双排平行均匀线阵的基础上,介绍了一种二维修正ESPRIT算法.通过对子阵的合并,摒弃了原协方差矩 阵中的冗余数据,使得新构成的协方差矩阵的维数比原来下降了近33 ,从而降低了特征值分解的维数,并且新构 成的协方差矩阵可以对接收数据进行共轭重排再利用.理论分析和仿真实验表明,该算法降低了计算量,提高了对 非相干信号的估计准确度,同时具有一定的解相干能力. 关键词:修正ESPRIT算法;二维DOA估计;相干信源 中图分类号:TN911.7 文献标识码:A文章编号:1006—7043(2008)04—0407—04 2一D DOA estimation based on a modified ESPRIT algorithm DIAO Ming,WU Xiao—qiang,ZHANG Peng (College of Information and Communication Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China) Abstract:When we use the ESPRIT algorithm to treat tWO—dimensional coherent signals there is a lot of re— dundancy in the arrays.In order to reduce computational effort and improve ability to deal with problems involving coherent sources。a new 2一D modified ESPRIT algorithm is proposed based on two parallel uni— fc)rm linear arrays.With this algorithm,redundant data in the correlation matrix can be eliminated by met— ging the sub-arrays SO that the size of the newly formed correlation matrix is decreased by 33 .This simi— larly reduces the dimensions of the eigenvalue decomposition,moreover,the COnj【ugate data can be reused in the new correlation matrix.Compared with the conventional 2一D ESPRIT algorithm.the modifications presented reduce computing effort,improve precision and enhance its performance with coherent sources. The validity of the algorithm and accuracy of the theoretical analysis were verified by computer simula— tions. Keywords:modified ESPRIT algorithm;2一D DOA estimation:coherent sources 在众多的高分辨空间谱估计方法中,ESPRIT 算法由于在进行二维DOA估计的时候不需要进行 然而此法在利用特征向量估计参数时会出现相位模 糊问题.文献[4]提出的基于L型阵列的波达方向 估计算法,克服了相位模糊问题,很好地解决了信号 方位角和俯仰角的配对问题,但需计算多个相关矩 阵后再对大矩阵进行特征分解,计算量较大.此外在 二维ESPRIT算法中,由于协方差矩阵是由3个子 阵通过求相关矩阵所得到的,因而比较复杂,通常的 适用于二维MUSIC算法的方法应用起来比较困 难.为此本文基于ESPRIT算法求解二维DOA的 原理,对子阵进行合并求解,使得协方差矩阵中不再 含有冗余数据,从而使得特征值分解的维数比常规 二维谱峰搜索,大大降低了计算量,能够满足实时性 的要求,因而具有广泛的应用前景.目前,基于ES— PRIT算法的二维DOA估计已经有了很多的方法. 文献[1—2]提出了一种利用高阶累积量来估计方位 角和仰角的方法,此方法用到四阶累积量计算,计算 量很大.文献[33提出的波达方向矩阵法是一个具有 较好估计性能的方法,计算量小,参数能自动匹配. 收稿日期:2007—04—27. 作者简介:鸣(1960一),男,教授,博士生导师,E-mail:diaoming@ 二维ESPRIT算法降低了近33 (极限状态),合并 hrbeu.edu.cr1. 维普资讯 http://www.cqvip.com 哈尔滨工程大学学报 第29卷 后的协方差矩阵可以成功的将MMUSIC算法的思 想引入进来,构成了该文的二维修正ESPRIT算法 (2~D MESPRIT算法).MESPRIT算法不仅可以提 F=diag(fl,f2,…, ,…,fD), {l—exp(j2 ̄dcos O/sin tPl/a) G—diag(g1,g2,…,g ,…,gD), 高ESPRIT算法在快拍数有限和信噪比较低时的 D()A估计性能,而且还具有解成对出现的相干信号 的能力. g 一exp(j2 ̄dsin Oisin ̄i/2). A是M×D维方向矩阵,a(Oi,仍)是M×1维列 向量, 为波长,d为天线阵列中2个相邻阵元的距 离, ( )和 ( )为第i个阵元在第 次快拍时的 1 阵列结构和信号模型 接收数据和接收到的噪声数据.这样F和D的同一 阵列组成情况如图1所示,假设有D个同中心 频率的窄带远场信号,从二维到达方向{Oi一(Oi, 仍), 一1,2,…,D}照射到阵列上.Oi、仍分别为第i 个信号的方位角和俯仰角. 和 的范围为:O≤ Oi,≤2兀,O ̄cp,≤兀/2. 图1 双排均匀平行线阵模型及阵兀分布 Fig.1 Two parallel uI A model and array geometry 将该阵列分成3个子阵,X轴上的1到M个阵 元构成子阵x ,2到M+1个阵元构成子阵 ,和 X轴平行的M+2到2M+1个阵元构成子阵x。, 第2M+2个阵元为冗余阵元.各阵元输出的噪声是 统计、均值为O和方差为 的加性高斯白噪 声,且噪声与信号不相关. 根据阵列形状和假设,则在第71次快拍时,3个 子阵x。、x 和X;接收到的数据可以表示为 Xl(71)一AS(71)+.N x_(71), (1) (")一AFS( )+.Nx. ( ), (2) X3( )一AGS( )+~x,( ). (3) 其中: Xl( )一L l( ) 2( )… M( )J , Xz( )一[ 2( ) 3(行)… l( )]T, X3( )一L 2( ) M+3( )… 2 l(行) , s(,2)一Lsl(,2)S2(,2)…SD(,2)j , .Nx ( )一L 1( ) 2( )…xM( )] , .Nx。( )一[ 2( ) . ( )… l(行)]T, .Nx ( )==[ 擗2( ) 3( )… 2 l( )]T, A: ( , )n( , )…a(4,够)…n(6lD, )], n( ,够)一[1 ( ,够)…u ( ,仍)] , u(8 ,8 一exp(j2 ̄dcos O/sin / . 位置就包含了信号的方位角和俯仰角信息. 2 快速去冗余ESPRIT算法 常规二维ESPRIT算法是利用先划分子阵后 特征值分解的方法求解信号的二维到达角.具体过 程可以参考文献[5],文中不加详述. 根据子阵的划分可以看出子阵x 和子阵 中有M一1个重叠阵元,因此在分解的时候为了降 低矩阵特征值分解的维数可以合并,设合并后的子 阵为x,贝0子阵x的接收数据为 x( )一[ l( )z2( )… M( ) M+l( )]T. (4) 为了保证另一子阵的维数与x同,将第2M+2 个冗余阵元并人子阵x。形成新的子阵y,则子阵l7 的接收数据为 y( )一[ 摊2(,2)XM+3( )…z2A件I(,2) 耕2(,2)] . (5) 设子阵X的阵列流型为 ,则 一[ ( 。, )a(02,仇)…a(g,竹)… (6lD, )], (6) ( ,识)一[1 ( )… ( ,伫)] . (7) 向量矩阵A和A满足: 广 A ] A—l_最后一行j。 ‘8 则新形成的子阵x和y之间满足: X( )一AS( )+Nx( ), (9) y( )一AGS( )+.Ny( ). (1O) 式中: Nx(n): :JL 摊l( ) ]j, Ny㈨:( )=J L 2 l( ) ]j. 令z( )一[ :;].则合并后整个阵列的接收 数据的协方差阵 为 Rz—E[z( )z( )“]:BR. ̄“+ J.- (11) 式 ,风为信号矢量的自协方差矩阵. 对式(11)进行特征分解可得 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 鸣,等:基于修正ESPRIT算法的二维D0A估计 Rz一∑2ieie 一【,S +U .(12) 置换矩阵.则z( )的相关矩阵为 Rz—E[z( )z( )“]一JR J. (18) 由空间谱的知识可知,上式的特征分解中大特 式中:l,・B 一B・D,D—F—M・G一. (19) 征矢量张成的信号子空间与阵列流型B张成的信 对于的信号源,矩阵R 应为实对角阵,将 号子空间是相等的.即 式(19)代入式(18),并利用对角阵乘积可以交换顺 span{Us}一span{B}. (13) 序,及DD =::J,可得 ( )的相关矩阵为 此时,存在一个唯一的非奇异矩阵T,使得 Rz一职SB“+ J—Rz. (20) Us一 . (14) 令 R—Rz ̄ Rz———. 显然子阵x。、 和 的信号子空间之间满足如下 (21) 关系: 因此,对Rz、 和R进行特征值分解,并用 fUs1一K1Us—AT, ESPRIT算法进行二维DOA估计,会得到相同的 <I【,s2一K2Us—AFT, (15) 结果.在信噪比较低,快拍数较少时,由于 、 是 【US3一K3Us—AGT. 用有限次快拍数据进行估算得到的,因此采用R进 式中: 行估计,具有平均的意义,可以提高信号DOA估计 fK1一EIM O撇( 2)_J撇(2 2), 的性能.同时R相当于对协方差矩阵进行了一次前 K2一LO撇1 JM O撇( 1)_J撇(2卅2), 后向平滑,因此可以处理成对出现的相干信号源,具 【K3一LO撇( 1)IM O撇1_J撇(2 2). 有一定的解相干能力. 记 一T- FT, =T- GT,由式(15)可得 4 算法的性能分析 』IusUs3一Us12一us・ ., (16) 为验证方法的有效性,采用双排均匀直线阵进 由最dx__-乘法知识可以得到 行了计算机模拟仿真实验,其阵列结构如图1所示, H-I H ’ 取子阵阵元数M一4,信号的中心频率f一 US3.150 MHz,阵元间距d为1/2个波长. . 分别 和 对进行特征值分解可以得到F 实验1存在3个等功率远场窄带信号,角度 和G.D个信号的方位角和俯仰角就包含在这2个 分别为(70。,15。)、(11O。,55。)和(14o。,30。),其中信 矩阵中.理论上 和 的特征值分解得到的特征 号1、2相干.SNR=20 dB,快拍数为200用文中的 向量矩阵都是T,但是在实际计算中2个特征值分 2一D MESPRIT算法进行200次Monte Carlo试验. 解是进行的,可能特征向量的排列顺序是不同 图2为仿真得到的星座图.由图可见该算法具有较 的,因此可以采用文献[4]中的的方法先进行自动配 高的估计准确度,且可以处理成对出现的相干源. 对,然后再根据对应关系进行参数估计. 从上面的分析过程可以看出,利用文中算法,当 子阵数为M个时,特征值分解的维数为2(M+1)× 2(M+1).而在相同条件下常规的协方差矩阵的维 一 、 数为3MX 3M,显然在阵元数较大时,计算量的节约 量 很明显. 警 3 二维MESPRIT算法的原理 在实际测向中,由于信号环境复杂,事先并不能 方位角/(。) 确知待估计的多个信号间的相关情况,将MMUSIC 算法的原理引入到文中算法中,来解决相干信号的 图2星座图 二维DOA估计.采用MESPRIT算法,可以减少相 Fig.2 The constellation map 干信号的相关性,并且不影响对非相干信号的DOA 实验2 2个等功率远场信号,二维到达方 估计. 向分别为(60。,20。)和(120。,40。).快拍数为200,改 MESPRIT算法对数据阵进行共轭重构,令 变信噪比,分别用常规ESPRIT算法和文中的EE— ( )一.,・Z ( ).式中.,为反对角线为1的2M阶 SPRIT算法进行200次Monte Carlo试验.其中,均 维普资讯 http://www.cqvip.com
哈尔滨工程大学学报 第29卷 方根误差定义为 RMSE 一 ̄/K{( 一 )}+E( 一 ):}, i一1,2,…,D. (22) 图3为参数估计的均方根误差随信噪比变化的 曲线.图4给出当SNR=15 dB时,均方根误差随快 拍数变化的曲线. 图3均方根误差随信噪比的变化曲线 Fig.3 RMSE in degrees versus SNR 冈4均方根误差随快拍数的变化曲线 Fig.4 RMSE in degrees versus snapshots 从图3和图4可以看出,在信噪比较小或者快 拍数较少时。利用2-D MESPRIT算法可以提高非 相关信号的DOA估计性能;但是随着信噪比和快 拍数的增大,二者的估计性能相当.此外由于该文算 法通过子阵的合并去掉了常规ESPRIT算法中的 冗余数据,使得协方差矩阵的维数由3M×3M= l2×l2降低为:2(M+1)×2(M+1)一10×10,节 约了计算量,随着M的增大,计算量的节省效果越 显著. 5 结束语 根据双排均匀线阵利用二维ESPRIT算法求 解DOA的原理,通过子阵的合并和增加一冗余阵 元的方式,使得新形成的协方差矩阵中不再含有冗 余数据,从而降低了特征值分解的维数,重构后的协 方差矩阵可以成功地将MMUSIC算法的原理引入 到二维ESPRIT算法的DOA估计中.理论分析和 仿真结果表明,二维MESPRIT算法不仅可以提高 对非相干信号的估计能力,而且具有解成对出现的 相干信号的能力.因此该方法具有较好的实用性. 参考文献: [1]唐斌,肖先赐.施太和.空间信号二维到达方向估计的 新方法__J].电子学报,1999,27(3):104~106. TANG Bin,XIAO Xianci。SHI Taihe.A novel method for estimating spatial 2-D direction of arrival[J].Journal of Electronics,1999,27(3):104—106. E2]LIU Tsunghsien,MENDEL J M.Azimuth and eleva— tion direction finding using arbitrary array geometries -Ij].IEEE Trans on Signal Processing,1998,46(7): 206卜2065. [3]殷勤业,邹理和,NEWWCOMB W R一种高分辨率二 维信号参量估计方法一波达方向矩阵法__J].通信学报, 1991,12(4):1-7. YIN Qinye,ZOU Lihe,NEWWCOMB W R A high resolution approach tO 2-D signal parameter estimation- IX)A matrix method EJ].JoL ̄rnal of China Institute ot Communications,1991,12(4):1-7. E4]董轶,吴云韬,廖桂生.一种二维到达方向估计的ES— PRIT新方法[J].西安电子科技大学学报,2003,30(5): 569—573. IN)NG Yi,WU Yuntao,LIA0 Guisheng.A novel method for estimating 2-D IX)A EJ].Journal of Xidian University,2003,30(5):569—573. Es]曾操,廖桂生,王洪洋.一种基于双平行线阵相干源二 维波达方向估计的新方法EJ].雷达科学与技术,2003,1 (2):104—108. ZENG Cao,I IAO Guisheng,WANG Hongyang.A new method for estimating 2-D DOA in coherent source envi— ronment with tWO parallel linear arrayEJ].Radar Science— and Technology,2003,1(2):104—108.