非相干和相干信号混合情况下的信号个数检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于均匀线阵情况下非相干和多组相干信号入射时的信号个数估计方法，通过获取一个基于两个线阵接收信号的互协方差矩阵的外积矩阵，然后由互协方差矩阵和它的变换矩阵构造第一联合矩阵并得到联合矩阵的外积矩阵。此时可以根据两个外积矩阵的秩得到非相干信号个数和相干信号组数。估计出一个新的斜投影算子用于抑制接收阵列数据中的非相干信号，由均匀线阵数据和另一个均匀线阵数据的一系列子阵构成的一系列互协方差矩阵组成了一个新的联合矩阵，这个联合矩阵的外积矩阵的秩就是相干信号个数。经过大量仿真实验证实，本方法在更少的快拍数和低信噪比下优于经过FBSS预处理的MDL/AIC方法、MENSE和SRP。
【专利说明】非相干和相干信号混合情况下的信号个数检测方法【技术领域】
[0001]本发明属于阵列信号处理【技术领域】，具体涉及一种非相干和相干信号混合情况下的信号个数检测方法。
【背景技术】
[0002]阵列信号处理的两个主要研究方向是信号个数估计和信号方向估计，其中信号个数估计又是方向估计的基础，当信号个数估计不准确的时候，信号方向估计将会受到严重影响，因此研究一种高效，精确的信号个数估计算法具有重大的研究意义。
[0003]信号个数检测算法中，最经典的是基于信息论准则的算法，包括基于AIC准则和MDL准则算法。但是在实际中由于多径传输效应的存在，入射信号经常是完全相关的(即相干)，从而造成传统的AIC/MDL方法严重退化。非参数方法MENSE (参见J.Xin, N.Zheng, andA.Sano,“Simple and efficient nonparametric method for estimating the number ofsignals without eigendecomposition,，，IEEE Trans.Signal Process., vol.55, n0.4, pp
?1405-1420, 2007.)能估计出相干信号个数。
[0004]近期非相干和相干信号混合情况下的信号波达方向估计得到了广泛的重视，混合信号的一维DOA估计通常采用均匀线阵，二维DOA估计通常采用Z形或平行线阵。然而在这些方法中，非相干信号个数和相干信号个数被认为是已经过事先估计的或是作为先验知识。虽然预处理技术例如空间平滑(SS)或者前后向空间平滑(FBSS)可以与AIC/MDL方法和MENSE方法结合应用于平行线阵对混合信号总个数进行估计，但是非相干信号个数和相干信号个数不能分别 得到，并且可估计信号个数受限于被减小的阵列孔径。尽管平滑秩轮廓(SRP)方法(参见 T.-J.Shan, A.Paulraj, and T.Kailath, “On smoothed rank profiletests in eigenstructure methods for direction-of-arrival estimation, ” IEEETrans.Acoust., Speech, Signal Process., vol.35, n0.10, pp.1377-1385，1987.)可以估计不相关和相干信号个数，但当信噪比(SNR)很低或者快拍数很小时该方法的检测效果会退化。
[0005]虽然2012年H.Tao等提出了一种新的混合信号个数检测算法(参见H.Tao, J.Xin, J.Wang, N.Zheng, and A.Sano “Estimation of the number of narrowband signalsin the presence of multipath propagation,，，in Proc.1EEE7th Sens.Array andMultichannel Signal Process.Workshop, pp.497-500, Hoboken, NJ, 2012.),该算法仅能解决不相关信号和一组相干信号混合情况下的个数估计问题。本发明因此而来。
【发明内容】
[0006]本发明目的在于提供一种非相干和相干信号混合情况下的信号个数检测方法，经过大量仿真实验证实，本方法在更少的快拍数和低信噪比下优于经过FBSS预处理的MDL/AIC 方法、MENSE 和 SRP。
[0007]为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是:[0008]一种非相干和相干信号混合情况下的信号个数检测方法，其特征在于所述方法包括以下步骤:
[0009](1)基于均匀线阵获得入射信号的互协方差矩阵以及互协方差矩阵的外积矩阵，由互协方差矩阵和它的变换矩阵构造第一联合矩阵并得到第一联合矩阵的外积矩阵；
[0010](2)根据互协方差矩阵的外积矩阵和第一联合矩阵的外积矩阵的秩基于QR分解的比例准则得到非相干信号个数和相干信号组数；
[0011](3)根据子空间的正交性求导向矩阵的非相干部分，对投影到非相干信号空间的互协方差矩阵进行QR分解；根据导向矩阵的非相干部分与QR分解的结果估计斜投影算子；所述斜投影算子用于抑制接收阵列数据中的非相干信号实现信号分离；
[0012](4)采用斜投影算子对互协方差矩阵进行投影运算，根据投影后的互协方差矩阵，将其分割为2L个前向叠加子矩阵和2L个后向叠加子矩阵；根据前向叠加矩阵和后向叠加矩阵生成第二联合矩阵；根据第二联合矩阵构造第二联合矩阵的外积矩阵；根据第二联合矩阵的外积矩阵的秩基于QR分解的比例准则求得相干信号个数。
[0013]优选的技术方案中:所述方法步骤(2)中根据第一联合矩阵的外积矩阵的秩基于QR分解的比例准则得到非相干信号个数。
[0014]优选的技术方案中:所述方法中入射信号为选自非相关信号、部分相关信号、相干信号和加性噪声的两种或者两种以上的任意混合。
[0015]优选的技术方案中:所述方法中入射信号为部分相关信号、相干信号和加性噪声的混合；或者入射信号为非相关信号、相干信号和加性噪声的混合；或者入射信号为部分相关信号、相干信号和加性噪声的混合；或者入射信号为非相关信号、部分相关信号和加性噪声的混合；或者入射信号为非相关信号和加性噪声的混合；或者入射信号为部分相关信号和加性噪声的混合；或者入射信号为相干信号和加性噪声的混合。
[0016]优选的技术方案中:所述方法中均匀线阵的阵列结构为双平行线阵或者L型线阵。
[0017]优选的技术方案中:所述方法中假设均匀线阵传感器阵列放置在x-y平面，并由两列均匀线阵组成，每列均匀线阵包含M个全向的传感器，间距为dy，列间间距为dx ;K个窄
带信号{sk(t)}由Kn个非相干信号&和Kh个相干信号组成，由远场从不同的仰角和
方位角{(ak，β,)}入射到阵列上，K = Kn+Kh;相干信号有P组，每组由独立信源Shp经多径
传播形成，第P组有Kp个相干信号，表示成sp,k(t) = !^,^(仏其中^⑴是
第P个相干信号组中的第k个信号，np,k为复衰减系数，则两列均匀线阵接收到的信号为:
[0018]y(t) = Ar s(t)+wy(t) (I);
[0019]X (t) = SD s (t) +wx (t) (2);
[0020]其中s (t)由Kn个非相干信号(即sn(t))和P个相干源信号(即sh(t))组成，A =[An, Ah]，An是Kn个非相干信号的导向矩阵，
【权利要求】
1.一种非相干和相干信号混合情况下的信号个数检测方法，其特征在于所述方法包括以下步骤: (1)基于均匀线阵获得入射信号的互协方差矩阵以及互协方差矩阵的外积矩阵，由互协方差矩阵和它的变换矩阵构造第一联合矩阵并得到第一联合矩阵的外积矩阵； (2)根据互协方差矩阵的外积矩阵和第一联合矩阵的外积矩阵的秩基于QR分解的比例准则得到非相干信号个数和相干信号组数； (3)根据子空间的正交性求导向矩阵的非相干部分，对投影到非相干信号空间的互协方差矩阵进行QR分解；根据导向矩阵的非相干部分与QR分解的结果估计斜投影算子；所述斜投影算子用于抑制接收阵列数据中的非相干信号实现信号分离； (4)采用斜投影算子对互协方差矩阵进行投影运算，根据投影后的互协方差矩阵，将其分割为2L个前向叠加子矩阵和2L个后向叠加子矩阵；根据前向叠加矩阵和后向叠加矩阵生成第二联合矩阵；根据第二联合矩阵构造第二联合矩阵的外积矩阵；根据第二联合矩阵的外积矩阵的秩基于QR分解的比例准则求得相干信号个数。
2.根据权利要求1所述的信号个数检测方法，其特征在于所述方法步骤(2)中根据第一联合矩阵的外积矩阵的秩基于QR分解的比例准则得到非相干信号个数。
3.根据权利要求1所述的信号个数检测方法，其特征在于所述方法中入射信号为选自非相关信号、部分相关信号、相干信号和加性噪声的两种或者两种以上的任意混合。
4.根据权利要求1所述的信号个数检测方法，其特征在于所述方法中入射信号为部分相关信号、相干信号和加性噪声的混合；或者入射信号为非相关信号、相干信号和加性噪声的混合；或者入射信号为部分相关信号、相干信号和加性噪声的混合；或者入射信号为非相关信号、部分相关信号和加性噪声的混合；或者入射信号为非相关信号和加性噪声的混合；或者入射信号为部分相关信号和加性噪声的混合；或者入射信号为相干信号和加性噪声的混合。
5.根据权利要求1所述的信号个数检测方法，其特征在于所述方法中均匀线阵的阵列结构为双平行线阵或者L型线阵。
6.根据权利要求1所述的信号个数检测方法，其特征在于所述方法中假设均匀线阵传感器阵列放置在χ-y平面，并由两列均匀线阵组成，每列均匀线阵包含M个全向的传感器，间距为dy，列间间距为dx ;K个窄带信号Isk(t)}由Kn个非相干信号彳.%.(/)}&和Kh个相干信号组成，由远场从不同的仰角和方位角{Uk，β,)}入射到阵列上，K = Kn+Kh;相干信号有P组，每组由独立信源Shp经多径传播形成，第P组有Kp个相干信号，h(i)h;l表示成Sp k(t)=np，kshp(t)，其中sp，k(t)是第p个相干信号组中的第k个信号，np,k为复衰减系数,则两列均匀线阵接收到的信号为:
y(t) =A gamma s (t) +wy (t) (I)；
X (t) = AD gamma s (t) +wx (t) (2); 其中s(t)由&个非相干信号(即sn(t))和P个相干源信号(即sh(t))组成，A= [An, Ah],An是Kn个非相干信号的导向矩阵，
7.根据权利要求6所述的信号个数检测方法，其特征在于所述方法中基于QR分解的比例准则(QRRC)方法为:对一个MXM的秩为P的方阵f,其中P < M，它的带列变换的QR分解为:
【文档编号】G06F19/00GK103902822SQ201410123195
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】陈可, 辛景民, 陶浩, 郑南宁 申请人:西安交通大学苏州研究院