基于压缩感知的DOA估计程序
基于压缩感知理论的DOA估计算法研究
信息工程大学硕士学位论文
3.3.2 交替下降重建算法 ............................................................................................. 31 3.3.3 仿真实验与结果分析 ......................................................................................... 32 3.4 本章小结 ........................................................................................................................ 33 第四章 基于 CS 理论的 DOA 估计 ........................................................................................... 35 4.1 引言................................................................................................................................ 35 4.2 基于 CS 理论的窄带信号 DOA 估计 .......................................................................... 35 4.2.1 DOA 估计模型 .................................................................................................... 35 4.2.2 过完备字典性能分析 ......................................................................................... 38 4.2.3 DOA 估计模型优化求解 .................................................................................... 38 4.2.4 仿真实验与结果分析 ......................................................................................... 39 4.3 基于 CS 理论的宽带信号 DOA 估计 .......................................................................... 44 4.3.1 DOA 估计模型 .................................................................................................... 44 4.3.2 仿真实验与结果分析 ......................................................................................... 44 4.4 CS 理论与 Khatri-Rao 积字典结合的 DOA 估计算法 ................................................ 46 4.4.1 估计模型 ............................................................................................................. 46 4.4.2 过完备字典性能分析 ......................................................................................... 48 4.4.3 仿真实验与结果分析 ......................................................................................... 49 4.5 本章小结 ........................................................................................................................ 50 第五章 基于压缩采样阵列的 DOA 估计 .................................................................................. 52 5.1 引言................................................................................................................................ 52 5.2 压缩采样阵列结构及信号模型 .................................................................................... 52 5.3 基于随机高斯观测矩阵的 SVD-CSA 算法................................................................. 53 5.3.1 估计算法分析 ..................................................................................................... 53 5.3.2 观测矩阵与字典的相关性分析 ......................................................................... 53 5.3.3 仿真实验与结果分析 ......................................................................................... 54 5.4 基于随机采样阵列的 DOA 估计算法 ......................................................................... 56 5.4.1 估计算法分析 ..................................................................................................... 56 5.4.2 仿真实验与结果分析 ......................................................................................... 58 5.5 本章小结 ........................................................................................................................ 60 结束语 ........................................................................................................................................... 62 参考文献 ....................................................................................................................................... 64 作者简历 致 攻读硕士学位期间完成的主要工作 ....................................................................... 70
基于压缩感知的空域信号DOA估计研究毕业论文.pdf
Abstract
The theory of Compressive Sensing (CS) is a new theory on sparse signal acquisition and reconstruction, which breaks through the limits of traditional Nyquist sampling theorem. CS theory states that one can recover certain signals or estimate their parameters from far fewer samples than traditional methods use, when the signals are sparse or compressible. Compressed sensing theory has become a new hotspot in signal processing field. In this thesis, the compression sensing theory is applied to the signal source DOA estimation, in the traditional DOA estimation algorithm.
本论文主要对阵列信号处理技术中传统的 DOA 估计算法,压缩感知理论和 稀疏信号重构算法进行了研究。首先,给出了远场窄带信号的一般数学模型,对 传统的 DOA 估计算法进行了回顾,主要包括延迟—相加法、Capon 最小方差方 法、MUSIC 算法、ESPRIT 算法、最大似然法和综合法,重点介绍了子空间分解 类算法:MUSIC 和 ESPRIT 算法。其次,研究了压缩感知理论的基本原理和基本 框架,主要包括时空域下的稀疏信号表示形式和变换域下的稀疏信号表示形式, 投影测量矩阵的设计和稀疏信号的重构算法;研究了稀疏信号重构的条件,详细 介绍了约束等距条件(RIP)、不一致性条件(MIP)以及二者之间的关系。最后,分 析了阵列接收信号的空域稀疏表示形式,介绍了稀疏信号重构算法 L1-SVD 和 MFOCUSS。为了解决传统的 DOA 估计算法无法用于相干信号源以及 MFOCUSS 算法不适用于低信噪比的情况,提出了一种新的基于压缩感知的 DOA 估计算法, SVD-MFOCUSS 算法。SVD-MFOCUSS 算法是对 MFOCUSS 算法的改进,其本 质上是采用奇异值分解进行信号降维和能量积累,改善了传统稀疏信号恢复算法 的应用范围,能在低信噪比情况下使用,且显著降低了计算量。
基于压缩感知的空域信号DOA估计
波达 方 向估 计 ( D O A) 是 阵 列 信 号 处 理 中的 重 要 研 究 内容 之 一 , 在 雷达 、 声 纳、 通信 等 领 域 均得 到 了广 泛应 用 。 自2 0世 纪 6 0年 代起 , 研 究 者 们 提 出 了多 种 有效 的 D O A估 计算 法 , 主要 有 C a p o n最小 方 差 法 以及 S c h i mi d t 等提 出的 以多 重 信号 分 类 ( MU S I C ) 算法 为 代 表 的子空 间类 算法 。近年来 , 由D o n o h o等人 提 出 的压
T N 8 2 0 ( 2 0 1 3 ) 1 1— 0 3 9— 0 3 中图 分 类 号
Co m pr e s s i v e Se n s i ng Ba s e d Na r r o wb a nd S i g na l s DoA Es t i ma t i o n
《大规模MIMO系统下基于压缩感知的DOA估计算法研究》范文
《大规模MIMO系统下基于压缩感知的DOA估计算法研究》篇一一、引言随着无线通信技术的飞速发展,大规模MIMO(Multiple Input Multiple Output)系统因其能显著提高系统容量和频谱效率而备受关注。
在MIMO系统中,波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计是一项关键技术,它对于提高信号的接收质量和系统的性能至关重要。
传统的DOA估计算法在处理大规模MIMO系统时面临着计算复杂度高、估计精度低等问题。
近年来,压缩感知(Compressed Sensing)技术的出现为解决这一问题提供了新的思路。
本文将针对大规模MIMO系统下基于压缩感知的DOA估计算法进行深入研究。
二、大规模MIMO系统概述大规模MIMO系统是一种利用大量天线单元进行信号传输和接收的无线通信系统。
其核心思想是在基站端配置大量天线,通过多天线间的空间复用和信号处理技术,提高系统的频谱效率和容量。
然而,随着天线数量的增加,传统的DOA估计算法面临着计算复杂度高、估计精度低等问题,因此需要研究新的算法来满足大规模MIMO系统的需求。
三、压缩感知技术介绍压缩感知是一种新的信号处理技术,它利用信号的稀疏性或可压缩性,通过优化算法从少量随机投影中恢复原始信号。
在DOA估计中,压缩感知技术可以有效地降低计算复杂度,提高估计精度。
其基本原理是将DOA估计问题转化为稀疏信号重建问题,利用压缩感知算法从接收到的信号中恢复出目标的DOA信息。
四、基于压缩感知的DOA估计算法研究针对大规模MIMO系统下的DOA估计问题,本文提出了一种基于压缩感知的DOA估计算法。
该算法利用信号的稀疏性,通过优化算法从接收到的信号中恢复出目标的DOA信息。
具体而言,算法包括以下步骤:1. 信号模型建立:根据大规模MIMO系统的特点,建立信号的稀疏表示模型。
在该模型中,信号可以被表示为稀疏向量,其非零元素对应于目标的DOA信息。
《大规模MIMO系统下基于压缩感知的DOA估计算法研究》范文
《大规模MIMO系统下基于压缩感知的DOA估计算法研究》篇一一、引言随着无线通信技术的飞速发展,大规模MIMO(Multiple Input Multiple Output)系统已成为5G及未来通信网络的关键技术之一。
在MIMO系统中,波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计技术对于提高信号接收质量、增强系统性能至关重要。
然而,传统的DOA估计算法在面对大规模MIMO系统时面临着诸多挑战,如计算复杂度高、分辨率有限等问题。
因此,研究适用于大规模MIMO系统的DOA估计算法具有重要的理论意义和实际应用价值。
本文旨在研究大规模MIMO系统下基于压缩感知的DOA估计算法,以提高DOA估计的准确性和效率。
二、背景及现状分析大规模MIMO系统通过在基站和移动终端部署大量天线,显著提高了系统频谱效率和数据传输速率。
然而,这也使得传统DOA估计算法面临着更高的计算复杂度和更低的分辨率。
近年来,压缩感知理论为解决这一问题提供了新的思路。
压缩感知理论指出,在信号稀疏或可压缩的前提下,可以通过非线性优化算法从远低于传统采样定理要求的采样数据中恢复原始信号。
因此,将压缩感知理论应用于大规模MIMO系统的DOA估计中,有望降低计算复杂度并提高估计精度。
目前,基于压缩感知的DOA估计算法已成为研究热点。
然而,现有算法仍存在一定局限性,如对信号稀疏性的要求较高、对噪声敏感等。
因此,进一步研究适用于大规模MIMO系统的DOA估计算法具有重要意义。
三、算法原理及实现本文提出了一种基于压缩感知的大规模MIMO系统DOA估计算法。
该算法通过利用压缩感知理论,从少量采样数据中恢复出原始信号的波达方向信息。
具体实现步骤如下:1. 信号模型建立:根据大规模MIMO系统的特点,建立信号的稀疏表示模型。
该模型将信号表示为一系列基函数的线性组合,并利用稀疏性约束来描述信号的特性。
2. 采样数据获取:通过在基站部署大量天线接收信号,并采用压缩感知技术进行采样。
基于压缩感知理论的二维DOA估计
第47卷第3期2021年3月北京工业大学学报JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.47No.3Mar.2021基于压缩感知理论的二维DOA估计窦慧晶,梁霄,张文倩(北京工业大学信息学部,北京100124)摘要:二维波达方向(direction of arrival,DOA)估计在雷达探测、电子对抗、医学成像等领域有着广泛的应用.针对现有算法估计精度不足、计算量巨大的问题,在基于压缩感知理论的背景下提出一种二维均匀L型阵列信号的DOA估计算法.该算法首先对阵列信号的俯仰角和方位角构建空间合成角,并对空间合成角构建过完备冗余字典;再利用正交化高斯随机矩阵构造观测矩阵;最后通过改进RM-FOCUSS算法和求解三角函数的方法还原出方位角和俯仰角.理论研究表明,该方法在高信噪比、多快拍条件下比传统算法具有更高的估计精度和分辨力,且通过压缩采样降低了运算量.仿真实验验证了上述结论.关键词:DOA估计;压缩感知;过完备冗余字典;稀疏表示;压缩采样;测量矩阵中图分类号:TN911文献标志码:A文章编号:0254-0037(2021)03-0231-08doi:10.11936/bjutxb2019100002Two-dimensional DOA Estimation Based onCompressed Sensing TheoryDOU Huijing,LIANG Xiao,ZHANG Wenqian(Faculty of Information Technology,Beijing University of Technology,Beijing100124,China)Abstract:Two-dimensional direction of arrival(DOA)estimation has been widely used in radar detection,electronic reconnaissance,medical imaging and other fields.Aiming at the problems of inadequate estimation accuracy and enormous computational load of existing algorithms,a DOA estimation algorithm for two-dimensional uniform L-shaped array signals was presented in this paper based on compressed sensing theory.First,an over-complete redundant dictionary was established by using the space frequency of the azimuth angle and pitch angle.Then the orthogonal Gaussian random matrix was used to construct the measurement matrix.Finally,azimuth and elevation were restored by improving RM -FOCUSS algorithm and solving trigonometric function.The theoretical research shows that the proposed method has higher estimation accuracy and resolution than the traditional algorithm under the conditions of high SNR and multi-snapshot,and it reduces the computational complexity by compressing sampling.The simulation results verify the effectiveness and correctness.Key words:direction of arrival(DOA)estimation;compressed sensing(CS);over-complete redundant dictionary;spare representation;compressed sampling;measurement matrix二维波达方向(direction of arrival,DOA)估计在阵列信号处理领域有着重要的研究意义,与一维收稿日期:2019-10-11基金项目:国家自然科学基金资助项目(61171137);北京市教育委员会科研发展计划资助项目(KM201210005001)作者简介:窦慧晶(1969—),女,副教授,主要从事数字信号处理、信号参量估计阵列信号处理、语音信号处理方面的研究, E-mail:dhuijing@232北京工业大学学报2021年DOA估计相比,该估计算法能够更精确描述目标的空间特性,因此DOA估计在二维信号领域更具实际应用价值[1-2].二维多重信号分类(two-dimensional multiple signal classification,2-D MUSIC)算法是目前已有的二维阵列信号DOA估计算法中最为经典的估计算法之一,该算法核心思想是将传统的一维MUSIC估计算法在二维空间进行直接推广,由于该算法需要二维谱峰搜索因而导致计算量巨大,且需要各信源的中心频率已知,因此很难满足实际应用⑶.为了解决上述缺陷,有学者提出一种无须谱峰搜索的二维旋转不变子空间(two-dimensional estimating signal parameter via rotational invariance techniques,2-D ESPRIT)算法以及二维传播算子(two-dimensional propagation method,2-D PM)算法⑷.这些算法的相继问世使阵列信号的处理性能得到一定的提高,但因其在小快拍数及低信噪比情况下估计性能严重下降而无法推广到实际应用中.在众多阵列结构中,由于L型阵列具有结构简单、实施容易、估计性能佳等优点而被广泛用于工程领域.为解决二维信号角度匹配精度不高且计算复杂的问题,文献[5]提出一种基于L型阵列的无须手动配对的二维DOA估计算法,通过引入新的合成角度计算出新的导向矢量,进而获得原信号的俯仰角和方位角.尽管该方法能够自动完成角度配对,但需要多次谱峰搜索及特征值分解导致计算复杂度过高.文献[6]提出一种新的二维DOA估计方法,该算法首先将方位角和俯仰角分别估计出来,再通过阵列输出的互相关和信号功率对2个角度进行匹配,由于需要大量的采样信号使得该方法不可有效避免大量的数值计算.为降低运算量有学者提出利用阵列数据的协方差矩阵进行二维角度估计的算法[7-8].文献[9]提出一种利用多相干信号对方位角和俯仰角进行配对的方法,通过利用协方差矩阵最小化构造的代价函数从而实现角度配对,该算法存在的最大弊端是在构造协方差矩阵的过程中可能会引入外界噪声,从而影响其估计性能.压缩感知(comprehensive sensing,CS)理论的出现为现代信号处理带来一种更高效、更精确的方法,文献[10]提出基于该理论的£-SVD算法,该算法通过对接收信号进行奇异值分解(singular value decomposition,SVD)来降低算法复杂度和对噪声的敏感性,然后利用二阶锥规划的方法求解相应的优化问题,该算法在小快拍数和低信噪比时有很好的性能,并且可以直接用于相干信号[11].该方法摆脱了传统奈奎斯特采样定理带来超大计算量的束缚.基于此,众多学者将压缩感知理论引入到DOA估计中来,从而达到降低计算量的目的.文献[12]提出一种基于协方差矩阵联合稀疏重构的降维波达方向估计算法,该算法充分利用阵列孔径,无须预先估计目标数目,参数估计性能在低信噪比及小快拍数据长度下优势明显,但在其他方面尚有改进余地.本文在基于压缩感知理论的背景下提出一种二维L 型阵列信号的DOA估计算法.该方法在高信噪比、多快拍条件下相较于传统算法具有更高的估计精度和分辨力,且具有较低的运算量.1信号模型本文试验采用L型均匀阵列,该模型中2个子阵互相垂直,成90。
一种基于压缩感知的目标DOA估计方法
t h e d i r e c t i o n a l i t y s i g n a l o f s u b m a i r n e t a r g e t i s c h o s e n a s e s t i ma t i o n o b j e c t , a n d t h e O MP t e c h n i q u e i n C S i s a p p l i e d
近年 来 出现 的一种新 的数 据获 取方 法 , 能 以低 于 N y q u i s t 的采样 率 对稀疏 数据 或 可压缩数 据进 行 采样 并 以高 概 率对采 样数 据恢 复 重构 。以水 下 目标 的 方位信 号 为估计 对 象 , 采用 C S的 正 交 匹配 跟踪 ( O M P ) 技 术 估 计 稀 疏信 号 中能量较 强 的位置 , 从 而 实现 对 目标 的 定 向。为 了验 证基 于 C S 技术的 D O A估计 方法 的性 能 , 将 其
( 1 . F u n d a m e n t a l E d u c a t i o n D e p a r t m e n t , B e i j i n g P o l y t e c h n i c C o l l e g e , B e i j i n g 1 0 0 0 4 2 , C h i n a ;
基于压缩感知的DOA估计研究
第一章绪论第一章绪论1.1课题研究的意义用传感器对辐射源进行测量和定位,是信号处理领域研究的一个热点和难点,尤其是在军事领域有着重要应用。
20世纪后期以来国际战争呈高技术局部性形态,电子战是其一大特点。
从海湾战争以来,美国在电子战领域的优势,让其在局部战争里得尽天时,可以想象电子战将成为未来战争的主战场之一,它将先于战争开始并贯穿于整个战争的始末,电子战的成败对整个战争的胜负起关键性作用。
可谓谁取得了电子战的优势,谁就在这场战争中有了优先权。
确定空间信号的波达方向对辐射源头进行定位是战场预警的一个重要环节,是取得战场控制权的一个重要前提。
所以信号的波达方向估计研究具有重要的研究价值,是国内外极为重视的课题。
早期的测向技术因为停留在模拟或机械转动上,无法得到理想的测量精度,整个应用发展缓慢。
直N--战末期,阵列信号处理技术被应用到侧向中,使其在近三十年来得到迅猛发展。
阵列信号处理顾名思义,就是将多个设置在空间的传感器组成一个阵列,然后对空间的信号场进行接收,得到信号源的空间离散数据,通过对阵列接收的信号进行处理,增强感兴趣的目标信号,抑制干扰和噪声,从而提取阵列接收信号及其特征信息与参数【l。
】。
与传统的单个定向传感器接收方式相比,传感器阵列具有灵活的波束控制、较高的信号增益、极强的干扰抑制能力和很好的空间分辨能力等多种优点。
阵列信号处理有两个主要的研究方向:白适应空域滤波和空间谱估计。
其中空间谱估计在近30年内取得了飞速发展,空间谱估计的研究侧重于空间多传感器阵列所构成的处理系统对感兴趣的空间信号的多种参数进行准确估计的能力,其主要目的就是估计信号的空域参数和信源位置。
其中最为典型的算法就是多重信号分类算法(MUSIC)和旋转不变子空间算法(ESPRIT),它们都是根据阵列接收信号数据的统计特性来进行波达方向估计,需要大量快拍数据来作为计算支撑。
而且这两种算法对噪声相当敏感,需要信号有较高的信噪比,这些缺陷使其的应用有了限制。
基于压缩感知的高分辨DOA估计
c mp e t Co o lxi y. mpue i u ain s o tr sm lto s h w ta t e e td lo i h t he pr s n e ag rt hm pef r s b te h n ta to a DOA ag rt ms o rom e tr t a r diin l lo ih fr
D A高 分辨估 计 , O 该方 法 降低 了接 收 阵 列 的前 端 接 收通 道个数 , 而稀 疏 基矩 阵采 用冗 余字 典 , 能保 然 不 证 感 知 矩 阵 满 足 约 束 等 容 条 件 ’ ( I , R P) 且 MF C S O U S算 法 在快 拍 数 较 多 情 况 下 运 算 量 急 剧 增 大 , 低信 噪 比情况 下无 法适 用 ¨ 在 。 针对上 述 问题 , 文提 出一 种 新 的 高分 辨 D A 本 O
D0I 0 3 7 /.sn 1 0 —3 8 2 1 . 6 0 2 :1 . 8 3 j i . 0 0 1 2 . 0 1 0 . 2 s
Co p e sv n i s d Hi h Re o u i n DOA tm a i n m r s i e Se sng Ba e g s l to Es i to
( M O U S O loi m b s do n ua vled c m o io rp sd h l r h v r m s h e c ta R F C S )D A a r h ae ns g lr au e o p s ini p o oe .T ea oi m o ec e tedf th t g t i t s g t o e
HE Ya p n e g, L o g t o,W ANG — a g,ZHU a — u I H n —a Ke r n Xi o h a
基于压缩感知DOA估计的稀疏阵列设计
基于压缩感知DOA估计的稀疏阵列设计随着通信技术和信号处理技术的发展,阵列信号处理技术在雷达信号处理、无线通信、声学定位等领域得到了广泛应用。
阵列信号处理技术主要通过阵列中多个接收元件采集信号,并利用信号的时延、幅度和相位差异进行测量和分析,从而达到空间滤波、波束形成、方向估计等目的。
基于压缩感知的DOA估计是一种新兴的阵列信号处理技术,具有高精度、高可靠性、低计算复杂度等优点。
其主要思想是基于稀疏表示,通过对信号进行低维压缩,从而达到减少测量数据量的目的,并可在保持精度的前提下降低计算复杂度。
在基于压缩感知DOA估计中,稀疏阵列设计是关键。
稀疏阵列是指阵列中仅有少数接收元件采集信号,并通过稀疏表示方法恢复出完整的信号。
通过合理的稀疏阵列设计,可以大大减少采集的信号量,从而缩短信号处理时间和减少能量消耗。
稀疏阵列设计的关键在于选择合适的接收元件。
传统的阵列设计主要依赖于球面阵、柱面阵等几何结构,在性能上存在一定局限性。
而对于基于压缩感知DOA估计的稀疏阵列设计,更需要考虑元件之间的相关性和稀疏性。
因此,可以采用配对相消和最大MIMO等技术进行设计。
配对相消技术是指将对称、对称度较高的接收元件进行配对,使得元件之间的相互干扰尽可能减小,从而提高系统性能。
最大MIMO技术可以通过优化接收元件间距和方向,最大化阵列的稀疏度和接收机的信噪比,从而达到DOA估计的最优结果。
总之,基于压缩感知DOA估计的稀疏阵列设计是一项研究的热点和难点,其关键在于合理选择接收元件,并进行优化,达到尽可能减少信号采集数据量的目的。
在未来的研究工作中,还需要进一步探索稀疏阵列的设计和优化方法,不断提高其性能和应用范围。
基于压缩感知的DOA估计
第十一届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品基于压缩感知的DOA估计东北大学秦皇岛分校电子信息系CS战队摘要:阵列信号处理技术因其具有灵活的波束控制,较高的信号增益,较强的抗干扰能力和很好的空间分辨力等优点广泛应用于通信、雷达、声纳、定位等研究领域。
而传统的阵列信号处理技术是基于Shannon-Nyquist采样实现,所以在具体应用中阵列信号处理技术所面临的最主要问题是计算量大而难以实时实现。
而压缩感知(Compressive Sensing,CS)理论是在确知信号具有稀疏性或可压缩性的条件下对信号进行观测,只需少量的采样点(可远低于Shannon-Nyquist采样速率)就能精确或近似的重构出原始信号。
为此,本文将CS理论与空间谱估计的MUSIC算法相结合,给出MUSIC快速实现方法,即CS-MUSIC。
为复杂信号处理提供了有效的手段,为提高我国无线电测向技术以及侦察技术提供了强有力的理论依据以及确实可行的方案,对提高我国国防能力具有重要的军事意义。
关键词:压缩感知;稀疏表示;观测矩阵;MUSIC算法;DOA估计1.引言1.1 研究背景及意义阵列信号处理是信号分析与处理的一个重要分支,在通信、雷达、声纳、射电天文、地震、遥感、生物医学工程等领域有着广泛的应用,前期研究主要针对时域、频域的信号,近30年来随着研究范围的不断发展,人们对空域的信号越来越感兴趣,其主要问题即是空间谱估计,空间谱估计的主要任务是通过对多传感器所构成的阵列进行统计分析,估计信号空间分布的参数和信源的方向,而对波达方向的估计是其主要研究课题。
波达方向估计是波束方向图综合以及波束形成的基础。
信号波达方向的估计在当今的雷达和智能天线的设计等当中有着至关重要的作用。
自上世纪60年代以来,其经历了迅速的发展,从早期的基于子空间分析的多重信号分类算法(MUSIC)和旋转不变子空间算法(ESPRIT),到后来的基于高阶累积量、极大似然和波束域定向法,以及小波分析法等,发展到今天的以稀疏分解为思想的信号分析方法。
基于压缩感知的DOA估计程序
程序可运行,有图有真相,MATLAB得事先装好cvx优化包。
clc;clear;close;lambda=1;d=lambda/2; %阵元间距离,取为入射波长的一半K=500; %采样快拍数theta=[-5 10]; %入射角度SignalNum=length(theta); %入射信号数量Nnum=5; %%阵列阵元数量SNR1=-10; %%信噪比Aratio=sqrt(10^(SNR1/10)); %信号幅度与噪声幅度比值,并假设信号幅度为1Fs=5*10^3; %信号频率Fc=[2*10^3,5*10^3,8*10^3]; %入射信号频率fs=20*10^3;thetatest=(-90*pi/180:1*pi/180:90*pi/180); %theta角度搜索范围thetanum=length(thetatest);%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%计算信号协方差矩阵%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%T_Vector=(1:K)/fs;A=zeros(Nnum,SignalNum);SignalVector=zeros(SignalNum,K);%NoiseVector=zeros(Nnum,K);Xt=zeros(Nnum,K);%%构造A矩阵for k2=1:SignalNumfor k1=1:Nnum %1:12At(k1)=exp(j*(k1-1)*2*pi*d*sin(theta(k2)*pi/180)/lambda);A(k1,k2)=At(k1);endend%%%构造信号矩阵和噪声矩阵for k1=1:SignalNumSignalVector(k1,:)=exp(j*2*pi*Fc(k1).*T_Vector); %信号endXtt=A*SignalVector;%NoiseVector=sqrt(0.5)*(randn(Nnum,K)+j*randn(Nnum,K));for kk=1:NnumXt(kk,:)=awgn(Xtt(kk,:),SNR1,'measured');endRx=(Xt*Xt')./K;Rs=(SignalVector*SignalVector')./K;sigm_s=Rs(:,1);% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%-----特征值分解----%M%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%[V, D] = eig(Rx); % X*V = V*DDD = diag(D); % 对角阵变矢量% [DD idx] = sort(DD, 'descend'); % 按从大往小排序特征值Un = V(:, 1:Nnum-SignalNum); % 噪声子空间Us = V(:, Nnum-SignalNum+1 : end); % 信号子空间e1=[1,zeros(1,Nnum-1)].';sigm_n=min(DD); %最小特征值^作为的估计I=eye(Nnum);for k1=1:thetanumAtemp0=exp(j*2*pi*d/lambda*sin(thetatest(k1))*[0:Nnum-1]).';S(k1)=1/(Atemp0'*Un*Un'*Atemp0);endfigure(1)plot(thetatest.*180./pi,10*log10(abs(S)/(max(abs(S)))));%输出功率(dB)grid on;grid on;title('Music')xlabel('方位角(度)')ylabel('输出功率(dB)') %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%----构造--G--selection矩阵%%%%%%%%%%%%%%M=Nnum;G=zeros(M*M,2*M-1);J0=eye(M);G(:,M)=J0(:);%for k=1:M-1for i=1: M-1J=[zeros(M-i,i),eye(M-i);zeros(i,i),zeros(i,M-i)];G(:,M-i)=J(:);J1=J';G(:,M+i)=J1(:);end%%%%%%----Bthita------%%%%Bthita=zeros(2*M-1,thetanum);Bt=zeros(1,2*M-1);for k2=1:thetanum %相当于文章thita1---thitaQfor k1=1:MBt(1,k1+M-1)=exp(-j*(k1-1)*2*pi*d*sin(thetatest(k2))/lambda);Bt(1,k1)=exp(j*(M-k1)*2*pi*d*sin(thetatest(k2))/lambda);Bthita(:,k2)=Bt';endend%%%----u---K稀疏矢量----u=zeros(1,thetanum);for z=1:SignalNumu(1,theta(z)+ 90+1)=sigm_s(z); %应该是等于sigm^2,每个信号的噪声方差endu=u';%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%----cvx运算-------%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%y=Rx(:);W12=sqrt(K)*(kron((Rx^(-0.5)).',Rx^(-0.5)));Q=W12*G*Bthita;S1=W12*(y-sigm_n*I(:))-Q*u;u2=2;beita=sqrt(chi2inv(0.999999,M*M)); %卡方分布M*Mcvx_beginvariable u2(181,1)minimize( norm(u2,1))subject toS=W12*(y-sigm_n*I(:))-Q*u2;% S=y-G*Bthita*u2-sigm_n*I(:);norm(S) <=beita ;cvx_endfigure()plot(-90:1:90,u2);%-----------------------------------------------------------------------。
基于压缩感知的相干信号DOA估计算法
基于压缩感知的相干信号DOA估计算法任肖丽;王骥【摘要】本文从稀疏信号重建的角度提出了一种相干信号波达方向(DOA)估计改进算法。
稀疏信号重建主要受冗余字典中原子间干扰的影响。
本文基于正交匹配追踪(orthogonal matching pursuit-OMP)算法通过设计感知字典削弱原子间干扰估计相干信号 DOA。
通过仿真验证算法的运行速度、DOA 估计、估计值的最小均方误差(RMSE)与克拉美罗界(CRLB)对比,仿真结果验证了算法的有效性。
本文所提方法运算复杂度低,且具有信源过载能力。
【期刊名称】《中国西部科技》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】3页(P1-2,7)【关键词】波达方向估计(DOA);相干信号;感知字典;正交匹配追踪(OMP);稀疏信号重建【作者】任肖丽;王骥【作者单位】广东海洋大学信息学院,广东湛江524088;广东海洋大学信息学院,广东湛江 524088【正文语种】中文【中图分类】基础科学中国西部科技 2015 年 06 月第 14 卷第 06 期总第 311 期基于压缩感知的相干信号 DOA 估计算法任肖丽王骥舍(广东海洋大学信息学院,广东湛江 524088)摘要:本文从稀疏信号重建的角度提出了一种相干信号泼达方向( DOA )估计改进算法.稀疏信号重建立妥受冗余字典中原子问千扰的影响.本文基于正交匹配这棕( orthogonal matching pursuit-OMP )算法通过设计感知字典削弱原子问千扰估计相千信号 DOA.通过仿真验证算法的运行速度、 DOA 估计、估计值的最小均方误差( RMSE )与克拉美罗界( CRLB) 对比,仿真给采验证了算法的有效性.本文所提方法运算复杂度低,且具有信源过载能力.关键词:波达方向估计( DOA );相千信号;感知字典;正文匹自己追踪( OMP );稀疏信号重建DO I :10.3969/ j.i ssn.1671-6396.2015.06.001 1 号|言在实际环境中,由于多径传播和其他因素的影响,相干信号大量存在,解相干信号的方法包括空间平滑[I),矩阵重建(2),非降维处理算法[3)。
基于压缩感知的DOA估计
基于压缩感知的DOA估计目录摘要 (I)Abstract .............................................................................................................. .... II 目录................................................................................................................... I II 第1章绪论. (1)1.1课题研究的背景和意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.2.1传统DOA估计研究现状 (2)1.2.2压缩感知理论的研究现状 (3)1.2.3基于压缩感知的DOA估计研究现状 (4)1.3本文的结构安排 (5)第2章基于压缩感知的DOA估计模型 (6)2.1压缩感知基本理论 (6)2.1.1压缩感知理论的基本数学建模 (6)2.1.2信号的稀疏表示 (7)2.1.3信号的压缩采样 (8)2.1.4信号的重构 (10)2.2阵列信号处理基本理论 (11)2.3基于压缩感知的DOA估计模型 (14)2.4 本章小结 (17)第3章压缩感知理论下的稀疏欠采样DOA估计模型 (18)3.1稀疏欠采样信号模型 (18)3.2信号稀疏表示和空间网格划分 (20)3.3测量矩阵的设计 (21)3.3.1测量矩阵的选择 (21)3.3.2阵列采样方式的选择 (22)3.3.3阵列采样数目的选择 (26)3.3.4欠采样方法性能的比较 (27)3.3.5对测量矩阵的改进 (28)3.4 本章小结 (30)第4章基于贝叶斯压缩感知的DOA估计 (31)4.1贝叶斯压缩感知理论 (31)4.2基于贝叶斯压缩感知的稀疏欠采样DOA估计 (34)4.2.1 BCS-DOA估计基本模型 (34)4.2.2算法性能分析 (35)4.3基于BCS算法的DOA估计改进 (39)4.3.1改进算法的基本原理 (39)4.3.2算法性能分析 (40)4.4 本章小结 (44)第5章网格划分失配及其修正问题研究 (45)5.1网格错匹配修正模型 (46)5.2交替下降算法 (47)5.2.1交替下降算法的基本理论 (47)5.2.2仿真实验和分析 (48)5.3基于贝叶斯的网格错匹配问题 (49)5.3.1估计模型 (49)5.3.2仿真分析 (49)5.4本章小结 (50)结论 (52)参考文献 (54)攻读博士学位期间发表的论文及其它成果 (57)哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (58)致谢 (59)第1章绪论1.1课题研究的背景和意义在现代信号分析处理中,一个很重要的组成部分就是阵列信号处理,在雷达、通信、声呐、气象等各个领域都有广泛的应用。
一种基于压缩感知的目标DOA估计方法_郭艳芬
法分辨。 DOA 估计就是估计目标信号源在方位空间中 的方向。 由 于 目 标 信 号 在 空 间 中 是 稀 疏 的, 因此 DOA 估计过程实际是对空间稀疏信号重构, 或者估 计稀疏信号中非零元的位置 知理论
[6 - 7 ] [5 ]
。 这就使得压缩感
用于其方位估计成为可能。 CS 是近几 年出现的一种新的数据获取理论 , 其最大的特点是,
0
引言 阵列信号处理
[1 ]
是声纳信号处理的重要研究
内 容 之 一, 而 波 达 方 向 ( directionality of arrival, [2 - 3 DOA) 估计 ]是阵列信号处理中的一个重要分支 ,
收稿日期: 2013 - 05 - 14 作者简介: 郭艳芬( 1978 - ) , 女, 黑龙江依兰人, 理学硕士, 讲师, 主要从事数学教学与研究工作。
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北京工 业 职 业 技 术 学 院 学 报
第 12 卷
对于满足上述条件的均匀直线阵, 以第 1 个阵 t 时刻等间距直线阵中的第 m 个阵元 元为参考点, 对应信号源的感应信号为 s i ( t) e -j λ ( m -1) sin( θi) 则声纳阵列第 m 个阵元接收的信号为
D
2 πd
阵( Sensing Matrix) 。 在压缩感知的理论框架下, 采样速率不再取决于 信号的带宽, 而主要取决于 2 个基本准则: 稀疏性和 不相关性。其中, 稀疏性是说信号本身是稀疏的或者 信号在某正交矩阵投影下的信号是稀疏的。不相关 性是指基矩阵 Ф 和观测矩阵 Ψ 是不相关的, 即其中 任何一个矩阵都不能用另一个矩阵的列线性表示。 与这个不相关特性等价的条件称为等距约束条件 ( restricted isometry property, RIP) , 即以下不等式成立 ( 1 - δ J ) x2 Фx2 ( 1 + δ J ) x2 式中, δ J 称为等距约束常数。 一般情况下, 如果 Ф 中的每个元素满足独立同分布的高斯分布 , 则Ф 与任一正交基矩阵 Ψ 不相关。 在 CS 框架下, 对于稀疏信号 x, 若 Ф 与 Ψ 是不 相关的, 则可利用少量的采样数据以高概率实现对 即在( 7 ) 式中, 观测数 M 可以远小 稀疏信号的重构。 于数据的长度 N。 其中, 观测次数 M 或者说观测矩阵 的行数与稀疏度有关, 满足关系 M ≥ klog( N / K ) , 一 般取为 M ≈ 4 K 。 对于经过压缩采样的稀疏信号, 其重构问题可 归结为如下的 l0 范数最小化问题 minx0 s.t.y-Фx2 2 ε0
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程序可运行,有图有真相,MATLAB得事先装好cvx优化包。
clc;
clear;
close;
lambda=1;
d=lambda/2; %阵元间距离,取为入射波长的一半
K=500; %采样快拍数
theta=[-5 10]; %入射角度
SignalNum=length(theta); %入射信号数量
Nnum=5; %%阵列阵元数量
SNR1=-10; %%信噪比
Aratio=sqrt(10^(SNR1/10)); %信号幅度与噪声幅度比值,并假设信号幅度为1
Fs=5*10^3; %信号频率
Fc=[2*10^3,5*10^3,8*10^3]; %入射信号频率
fs=20*10^3;
thetatest=(-90*pi/180:1*pi/180:90*pi/180); %theta角度搜索范围
thetanum=length(thetatest);
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%计算信号协方差矩阵%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
T_Vector=(1:K)/fs;
A=zeros(Nnum,SignalNum);
SignalVector=zeros(SignalNum,K);
%NoiseVector=zeros(Nnum,K);
Xt=zeros(Nnum,K);
%%构造A矩阵
for k2=1:SignalNum
for k1=1:Nnum %1:12
At(k1)=exp(j*(k1-1)*2*pi*d*sin(theta(k2)*pi/180)/lambda);
A(k1,k2)=At(k1);
end
end
%%%构造信号矩阵和噪声矩阵
for k1=1:SignalNum
SignalVector(k1,:)=exp(j*2*pi*Fc(k1).*T_Vector); %信号
end
Xtt=A*SignalVector;
%NoiseVector=sqrt(0.5)*(randn(Nnum,K)+j*randn(Nnum,K));
for kk=1:Nnum
Xt(kk,:)=awgn(Xtt(kk,:),SNR1,'measured');
end
Rx=(Xt*Xt')./K;
Rs=(SignalVector*SignalVector')./K;
sigm_s=Rs(:,1);
% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%-----特征值分解----%M%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
[V, D] = eig(Rx); % X*V = V*D
DD = diag(D); % 对角阵变矢量
% [DD idx] = sort(DD, 'descend'); % 按从大往小排序特征值
Un = V(:, 1:Nnum-SignalNum); % 噪声子空间
Us = V(:, Nnum-SignalNum+1 : end); % 信号子空间
e1=[1,zeros(1,Nnum-1)].';
sigm_n=min(DD); %最小特征值^作为的估计
I=eye(Nnum);
for k1=1:thetanum
Atemp0=exp(j*2*pi*d/lambda*sin(thetatest(k1))*[0:Nnum-1]).';
S(k1)=1/(Atemp0'*Un*Un'*Atemp0);
end
figure(1)
plot(thetatest.*180./pi,10*log10(abs(S)/(max(abs(S)))));%输出功率(dB)
grid on;
grid on;
title('Music')
xlabel('方位角(度)')
ylabel('输出功率(dB)') %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%----构造--G--selection矩阵%%%%%%%%%%%%%%
M=Nnum;
G=zeros(M*M,2*M-1);
J0=eye(M);
G(:,M)=J0(:);
%for k=1:M-1
for i=1: M-1
J=[zeros(M-i,i),eye(M-i);zeros(i,i),zeros(i,M-i)];
G(:,M-i)=J(:);
J1=J';
G(:,M+i)=J1(:);
end
%%%%%%----Bthita------%%%%
Bthita=zeros(2*M-1,thetanum);
Bt=zeros(1,2*M-1);
for k2=1:thetanum %相当于文章thita1---thitaQ
for k1=1:M
Bt(1,k1+M-1)=exp(-j*(k1-1)*2*pi*d*sin(thetatest(k2))/lambda);
Bt(1,k1)=exp(j*(M-k1)*2*pi*d*sin(thetatest(k2))/lambda);
Bthita(:,k2)=Bt';
end
end
%%%----u---K稀疏矢量----
u=zeros(1,thetanum);
for z=1:SignalNum
u(1,theta(z)+ 90+1)=sigm_s(z); %应该是等于sigm^2,每个信号的噪声方差
end
u=u';
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%----cvx运算-------%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
y=Rx(:);
W12=sqrt(K)*(kron((Rx^(-0.5)).',Rx^(-0.5)));
Q=W12*G*Bthita;
S1=W12*(y-sigm_n*I(:))-Q*u;
u2=2;
beita=sqrt(chi2inv(0.999999,M*M)); %卡方分布M*M
cvx_begin
variable u2(181,1)
minimize( norm(u2,1))
subject to
S=W12*(y-sigm_n*I(:))-Q*u2;
% S=y-G*Bthita*u2-sigm_n*I(:);
norm(S) <=beita ;
cvx_end
figure()
plot(-90:1:90,u2);
%-----------------------------------------------------------------------。