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作为阵列信号处理技术的重要研究方向之一,信号到达角(DOA)估计被广泛应用到雷达、声呐等领域。以MUSIC[和ESPRIT[为代表的传统空间谱估计算法,实现简单,且空间分辨率高,但要求高信噪比以及多快拍数。随着压缩感知理论的提出与发展,将压缩感知理论应用到阵列信号处理中成为DOA估计算法新的研究方向,学者们提出了大量性能优越的DOA估计算法。其中最为经典的是由D.Malioutov等人提出的
${l_1}{\rm{ - SVD}}$算法,其首先通过空间网格划分的方式,构造了基于阵列流型的过完备基矩阵,然后利用奇异值(singular value decomposition, SVD)分解对阵列接收信号矩阵降维,最后利用二阶锥规划求解
${l_1}$范数优化问题,并估计出信号的DOA。随后,在
${l_1}{\rm{ - SVD}}$算法的基础上,学者们又先后提出了许多基于稀疏表示的DOA估计算法,用以解决宽带[、二维角度[、相干信号源[等DOA估计问题。基于稀疏表示的DOA估计算法多是通过求解
${l_1}$范数优化问题估计出信号的DOA,但是在求解
${l_1}$范数优化问题的过程中,正则化参数多是通过人工设置的方式选取。鉴于稀疏问题的求解完全可以放在贝叶斯估计框架中分析和表示,而且这种统计优化方法更容易被理解和接受。因此近几年一些学者也在不断开展基于稀疏贝叶斯学习的DOA估计研究工作,主要研究二维DOA估计[、空间网格划分失配[以及算法收敛速度
针对此问题,首先假设空间中存在一个均匀线阵用于接收空间窄带目标信号,对空间进行网格划分使得空间信号稀疏化,从而完成信号稀疏表示,并得出可通过求解
${l_1}$范数优化问题估计信号DOA的结论,为应用稀疏贝叶斯理论估计信号的DOA,将阵列接收信号由复数数据转为实数数据。然后根据稀疏贝叶斯理论可知,阵列接收信号服从高斯分布。为估计出未知参数,对稀疏信号指定高斯分布,并为其方差以及噪声方差的倒数指定Gamma分布,得出可通过求解待估计参数的最大后验概率分布估计出未知参数。最后为了避免后验概率分布的直接求解,降低算法复杂度,通过变分贝叶斯学习算法寻找后验概率分布的近似分布,并通过监控下界值判断算法是否收敛,估计出未知参数,从而获得信号的DOA。
1 基于稀疏表示的DOA估计模型
假设
$K$个远场窄带信号入射到
$M$个各向同性的均匀线阵上,阵元间距为
$d$,各信号来波方向为
${\theta _{\rm{i}}}(i = 1,2, \cdots ,K)$,则阵列接收信号为
${ {y}}(t) = { {As}}(t) + { {n}}(t)$
式中:${ {y}}\left( t \right) = {\left[ { {y_1}(t),{y_2}(t), \cdots {y_M}(t)} \right]^{\rm{T}}}$为
$M \times 1$维的阵列接收信号矢量;${ {s}}(t) = {\left[ { {s_1}(t),{s_2}(t), \cdots ,{s_N}(t)} \right]^{\rm{T}}}$为
$K \times 1$维的空间信号矢量;${ {A}} =\left[ { { {a}}\left( { {\theta _1}} \right),{ {a}}\left( { {\theta _2}} \right), \cdots ,{ {a}}\left( { {\theta _K}} \right)} \right]$为
$M \times K$维阵列流形矩阵,${ a}\left( { {\theta _k}} \right) = {\rm{[}}1,\exp ( - {\rm{j}}2{\text π} f{\tau _k}), \cdots ,\exp $
$( - {\rm{j}}2{\text π} f(M - 1){\tau _k})]$T为
$M \times 1$维的方向矢量,${\tau _k} = d\sin {\theta _k}/c$,${\theta _k}$为第
$k$个信号的来波方向;${ n}(t) = [{n_1}(t),{n_2}(t), \cdots ,$
${n_M}(t){ {\rm{]}}^{\rm{T}}}$为
$M \times 1$维的噪声矢量。
空间信号是可稀疏的,通过特定的网格划分可将空间信号稀疏化。将空间均匀划分为
$N$份,$\left\{ { {\theta _1},{\theta _2}, \cdots ,{\theta _N}} \right\}$,$N \gg K$。假设每一个
${\theta _n}(n = 1,2, \cdots ,N)$都对应一个空间信号
${x_n}(n = 1,2, \cdots ,N)$,这样便构造出了稀疏度为
$K$的
$N \times 1$维稀疏空间信号矢量:
${ {x}}(t) = {[{x_1}(t),{x_2}(t), \cdots ,{x_N}(t)]^{\rm{T}}}$
${ {x}}(t)$中只有
$K$个位置的元素是非零的,对应着空间中实际存在的信号
$s(t)$,其余
$N - K$个位置的元素为零。则稀疏化后的空间信号矢量对应的
$M \times N$维阵列流型矩阵
${ {\varPhi}} $为
${ {\varPhi}} {\rm{ = }}[{ {a}}({\theta _1}),{ {a}}({\theta _2}), \cdots ,{ {a}}({\theta _N})]$
则稀疏表示模型下的DOA估计数学模型为
${ {y}}(t) = { {\varPhi}} { {x}}(t) + { {n}}(t)$
(1)
通过求解如下
${l_1}$范数优化问题得出重构信号:
$\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{\hat { x} = \arg \min { {\left\| { x} \right\|}_1}}\\{ {\rm s.t.}{ {\left\| { {
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