一种源信号波达方向的估计方法及装置

技术领域

本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种源信号波达方向的估计方法及装置。

背景技术

目前，在对单比特双极子阵列的波达方向(Direction of arrival，DOA)进行估计时，常采用单比特多重子空间分类算法(OB-PalMUSIC)，或采用基于原子范数超分辨的DOA估计算法(OB-GLSPICE)等。

但是，在使用OB-PalMUSIC时，需要将最长中心均匀线阵之外的阵元的数据丢弃，不仅会导致阵列自由度的降低，还会导致计算精度的降低；而在使用OB-GLSPICE算法时，计算复杂度较高。

发明内容

本申请提供一种源信号波达方向的估计方法及装置，能够在保证计算精度和阵列自由度的同时，有效降低对单比特双极子阵列的波达方向进行估计的计算复杂度。

为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：

第一方面，本申请提供一种源信号波达方向的估计方法，该方法包括：

获取单比特双极子阵列采样数据；双极子包含朝向x轴的极子和朝向y轴的极子。

基于单比特双极子阵列采样数据，构建并联协方差矩阵。

将并联协方差矩阵转换为第一矩阵。

基于第一矩阵，估计源信号的波达方向。

基于上述技术方案，本申请实施例提供的源信号波达方向的估计方法，可以先获取单比特双极子阵列采样数据，然后基于单比特双极子阵列采样数据，构建并联协方差矩阵；将并联协方差矩阵转换为第一矩阵，最后基于第一矩阵，估计源信号的波达方向。其中，双极子包含朝向x轴的极子和朝向y轴的极子。通过该方法，在保证计算精度和阵列自由度的同时，还可以有效降低对单比特双极子阵列的波达方向进行估计的计算复杂度。

可选的，基于单比特双极子阵列采样数据，构建并联协方差矩阵，包括：

基于单比特双极子阵列采样数据，分别确定朝向x轴的极子对应的采样信号和朝向y轴的极子对应的采样信号。

基于朝向x轴的极子对应的采样信号和朝向y轴的极子对应的采样信号，构建并联协方差矩阵。

可选的，基于单比特双极子阵列采样数据，分别确定x轴的采样信号和y轴的采样信号，包括：

基于单比特双极子阵列采样数据，分别确定朝向x轴的极子对应的无量化接收信号和朝向y轴的极子对应的无量化接收信号。

基于朝向x轴的极子对应的无量化接收信号和朝向y轴的极子对应的无量化接收信号，分别确定朝向x轴的极子对应的采样信号和朝向y轴的极子对应的采样信号。

可选的，将并联协方差矩阵转换为第一矩阵，包括：

使用差分阵列技术，将并联协方差矩阵转换为第一矩阵。

可选的，基于第一矩阵，估计源信号的波达方向，包括：

将第一矩阵作为线谱信号，采用快速线谱估计方法，估计源信号的波达方向。

第二方面，本申请提供一种源信号波达方向的估计装置，该装置包括：

获取单元，用于获取单比特双极子阵列采样数据；双极子包含朝向x轴的极子和朝向y轴的极子。

构建单元，用于基于单比特双极子阵列采样数据，构建并联协方差矩阵。

转换单元，用于将并联协方差矩阵转换为第一矩阵。

估计单元，用于基于第一矩阵，估计源信号的波达方向。

可选的，构建单元具体用于：

基于单比特双极子阵列采样数据，分别确定朝向x轴的极子对应的采样信号和朝向y轴的极子对应的采样信号。

基于朝向x轴的极子对应的采样信号和朝向y轴的极子对应的采样信号，构建并联协方差矩阵。

可选的，构建单元具体用于：

基于单比特双极子阵列采样数据，分别确定朝向x轴的极子对应的无量化接收信号和朝向y轴的极子对应的无量化接收信号。

基于朝向x轴的极子对应的无量化接收信号和朝向y轴的极子对应的无量化接收信号，分别确定朝向x轴的极子对应的采样信号和朝向y轴的极子对应的采样信号。

可选的，转换单元具体用于：

使用差分阵列技术，将并联协方差矩阵转换为第一矩阵。

可选的，估计单元具体用于：

将第一矩阵作为线谱信号，采用快速线谱估计方法，估计源信号的波达方向。

第三方面，本申请提供了一种源信号波达方向的估计装置，该装置包括：处理器和通信接口；通信接口和处理器耦合，处理器用于运行计算机程序或指令，以实现如第一方面和第一方面的任一种可能的实现方式中所描述的源信号波达方向的估计方法。

第四方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有指令，当指令在终端上运行时，使得终端执行如第一方面和第一方面的任一种可能的实现方式中描述的源信号波达方向的估计方法。

第五方面，本申请实施例提供一种包含指令的计算机程序产品，当计算机程序产品在源信号波达方向的估计装置上运行时，使得源信号波达方向的估计装置执行如第一方面和第一方面的任一种可能的实现方式中所描述的源信号波达方向的估计方法。

第六方面，本申请实施例提供一种芯片，芯片包括处理器和通信接口，通信接口和处理器耦合，处理器用于运行计算机程序或指令，以实现如第一方面和第一方面的任一种可能的实现方式中所描述的源信号波达方向的估计方法。

具体的，本申请实施例中提供的芯片还包括存储器，用于存储计算机程序或指令。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种源信号波达方向的估计方法的方法流程图；

图2为本申请实施例提供的一种双级子示意图；

图3为本申请实施例提供的一种构建并联协方差矩阵的流程图；

图4为本申请实施例提供的一种在低信噪比场景下的性能对比示意图；

图5为本申请实施例提供的一种在高信噪比情况下的性能对比示意图；

图6为本申请实施例提供的一种计算复杂度的对比示意图；

图7为本申请实施例提供的一种源信号波达方向的估计装置的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的另一种源信号波达方向的估计装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例提供的一种源信号波达方向的估计方法及装置进行详细地描述。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

本申请的说明书以及附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，或者用于区别对同一对象的不同处理，而不是用于描述对象的特定顺序。

此外，本申请的描述中所提到的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括其他没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

电磁矢量传感器阵列是由可探测电磁波极化信息的矢量传感器组成的阵列。相较于传统的标量传感器阵列，电磁矢量传感器阵列因为可以获取并接收电磁波所有的物理信息，所以具有抗干扰能力强、分辨能力高、检测能力稳健等优点，并且可以实现信号的极化编码。但是，电磁矢量传感器阵列对信号极化信息的探测需要靠增加传感器的数目来实现，导致系统开销大幅增长，限制了电磁矢量传感器阵列在阵列规模较大、供电能力较低或成本限制较大的场景中的应用。

基于上述问题，学者们提出了单比特双极子阵列，并提出用于对单比特双极子阵列DOA估计的单比特多重子空间分类算法(OB-PalMUSIC)和基于原子范数超分辨的DOA估计方法(OB-GLSPICE)等。

但是，在使用OB-PalMUSIC时，需要将最长中心均匀线阵之外的阵元的数据丢弃，不仅会导致阵列自由度的降低，还会导致计算精度的降低；而在使用OB-GLSPICE算法时，计算复杂度较高，达到了O(n

为了解决上述技术问题，本申请提供的源信号波达方向的估计方法，可以先获取单比特双极子阵列采样数据，然后基于单比特双极子阵列采样数据，构建并联协方差矩阵；将并联协方差矩阵转换为第一矩阵，最后基于第一矩阵，估计源信号的波达方向。其中，双极子包含朝向x轴的极子和朝向y轴的极子。通过该方法，在保证计算精度和阵列自由度的同时，还可以有效降低对单比特双极子阵列的波达方向进行估计的计算复杂度。

图1为本申请实施例提供的一种源信号波达方向的估计方法的方法流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S101，获取单比特双极子阵列采样数据。

具体的，在获取单比特双极子阵列采样数据的过程中，可以通过单比特采样设备对双级子天线接收到的数据进行采样获取，其中，双极子包含朝向x轴的极子和朝向y轴的极子，如图2所示，朝向不同轴的极子可以分别构成了两个阵元位置相同的标量阵。

步骤S102，基于单比特双极子阵列采样数据，构建并联协方差矩阵。

具体的，在一种可选的实施方式中，在基于单比特双极子阵列采样数据，构建并联协方差矩阵的过程中，可以参考图3所示的方法，如图3所示，该方法包括如下步骤：

步骤S301，基于单比特双极子阵列采样数据，分别确定朝向x轴的极子对应的无量化接收信号和朝向y轴的极子对应的无量化接收信号。

具体的，可以将朝向x轴极子构成的标量阵的无量化接收信号记为

式9确定出

b

b

其中，

步骤S302，基于朝向x轴的极子对应的无量化接收信号和朝向y轴的极子对应的无量化接收信号，分别确定朝向x轴的极子对应的采样信号和朝向y轴的极子对应的采样信号。

具体的，采样信号可以用y(t)表示，并通过公式10、公式11和公式12进行确定：

y(t)＝signc(C)(公式10)

其中，j表示虚数符号，C表示复数，C

步骤S303，基于朝向x轴的极子对应的采样信号和朝向y轴的极子对应的采样信号，构建并联协方差矩阵。

具体的，可以通过公式13构建出并联协方差矩阵。

步骤S103，将并联协方差矩阵转换为第一矩阵。

具体的，在一种可选的实施方式中，通过图2所示的方法确定出并联协方差矩阵后，可以使用差分阵列技术，将并联协方差矩阵转换为第一矩阵。示例性的，可以将第一矩阵表示为

v＝diag(A

p＝diag(A

D＝diag([0,2π,4π,...,(N-1)2π])(公式18)

其中，J表示选择矩阵。

步骤S104，基于第一矩阵，估计源信号的波达方向。

具体的，通过步骤S103确定出第一矩阵

信号源的信号模型可以用公式20进行表示：

其中，θ

通过公式22、公式23、公式24、公式25和公式26分别确定出公式21中位于大于号左侧和右侧的公式，并针对左侧的结果和右侧的结果进行比较，判断是否满足公式21所示的关系。

q＝A

d＝diag(A

其中，ζ为伯努利分布系数。

若满足公式21所示的关系，则输出第K个θ的值，即为待估计的源信号的DOA；若公式21中的条件不满足，则可以通过公式27所示的L-BFGS算法，确定出θ

具体的，可以通过公式28、公式29、公式30、公式31、公式32和公式33，通过求导的方法分别确定出θ

r＝A

t＝diag(A

在本申请实施例中，在执行公式27所示的L-BFGS算法时，可以对公式34中小于号左侧和右侧的结果进行比较，直至公式34中的条件满足，结束L-BFGS算法迭代：

通过上述方法，在保证计算精度和阵列自由度的同时，还可以有效降低对单比特双极子阵列的波达方向进行估计的计算复杂度。

下述为针对本申请实施例提供的一种源信号波达方向的估计方法的仿真实验结果：在该仿真实验中，所有的极化信号的能量均为1，而且极化信号的个数均已知。辅助极化角

实验1是在低信噪比场景下，对源信号的波达方向进行估计的各个算法的计算精度对比示意图，实验结果如图4所示，可以看到OB-SLSE在低信噪比场景下，计算精度超越了OB-PalMUSIC与OB-GLSPICE。其中，OB-SLSE即为本申请实施例中计算源信号的波达方向的估计方法。

其中，纵坐标(计算精度MSE)可以用公式35进行确定，横坐标(信噪比SNR)可以用公式36进行确定。

实验2是在高信噪比场景下，对源信号的波达方向进行估计的各个算法的性能对比示意图，实验结果如图5所示，OB-SLSE性能与OB-PalMUSIC和OB-GLSPICE类似。

实验3是在嵌套阵上和互质阵上，对源信号的波达方向进行估计的各个算法的计算复杂度的对比示意图，实验结果如图6所示，在嵌套阵上，OB-SLSE计算复杂度远低于OB-PalMUSIC；在互质阵上，因OB-PalMUSIC阵列构造因素，其计算复杂度与OB-SLSE相当。

因此，本申请实施例提供的一种源信号波达方向的估计方法，在保证计算精度和阵列自由度的同时，还可以有效降低对单比特双极子阵列的波达方向进行估计的计算复杂度。

此外，在本申请中，还可以通过公式35对噪声方差σ

图7为本申请实施例提供的一种源信号波达方向的估计装置的结构示意图，如图7所示，该装置包括：

获取单元701，用于获取单比特双极子阵列采样数据；双极子包含朝向x轴的极子和朝向y轴的极子。

构建单元702，用于基于单比特双极子阵列采样数据，构建并联协方差矩阵。

转换单元703，用于将并联协方差矩阵转换为第一矩阵。

估计单元704，用于基于第一矩阵，估计源信号的波达方向。

可选的，构建单元702具体用于：

基于单比特双极子阵列采样数据，分别确定朝向x轴的极子对应的采样信号和朝向y轴的极子对应的采样信号。

基于朝向x轴的极子对应的采样信号和朝向y轴的极子对应的采样信号，构建并联协方差矩阵。

可选的，构建单元702具体用于：

基于单比特双极子阵列采样数据，分别确定朝向x轴的极子对应的无量化接收信号和朝向y轴的极子对应的无量化接收信号。

基于朝向x轴的极子对应的无量化接收信号和朝向y轴的极子对应的无量化接收信号，分别确定朝向x轴的极子对应的采样信号和朝向y轴的极子对应的采样信号。

可选的，转换单元703具体用于：

使用差分阵列技术，将并联协方差矩阵转换为第一矩阵。

可选的，估计单元704具体用于：

将第一矩阵作为线谱信号，采用快速线谱估计方法，估计源信号的波达方向。

图8示出了上述实施例中所涉及的源信号波达方向的估计装置的又一种可能的结构示意图。该源信号波达方向的估计装置包括：处理器801和通信接口802。处理器801用于对源信号波达方向的估计装置的动作进行控制管理，通信接口802用于支持源信号波达方向的估计装置与其他网络实体的通信。源信号波达方向的估计装置还可以包括存储器803和总线804，存储器803用于存储源信号波达方向的估计装置的程序代码和数据。

其中，存储器803可以是源信号波达方向的估计装置中的存储器等，该存储器可以包括易失性存储器，例如随机存取存储器；该存储器也可以包括非易失性存储器，例如只读存储器，快闪存储器，硬盘或固态硬盘；该存储器还可以包括上述种类的存储器的组合。

上述处理器801可以是实现或执行结合本申请公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框，模块和电路。该处理器可以是中央处理器，通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路，现场可编程门阵列或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本申请公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框，模块和电路。该处理器也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，DSP和微处理器的组合等。

总线804可以是扩展工业标准结构(Extended Industry StandardArchitecture，EISA)总线等。总线804可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图8中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本申请实施例提供一种包含指令的计算机程序产品，当该计算机程序产品在计算机上运行时，使得该计算机执行上述方法实施例中的源信号波达方向的估计方法。

本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有指令，当该指令在计算机上运行时，使得该计算机执行上述方法实施例所示的方法流程中的源信号波达方向的估计方法。

其中，计算机可读存储介质，例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可擦式可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM)、寄存器、硬盘、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(Compact Disc Read-Only Memory，CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合、或者本领域熟知的任何其它形式的计算机可读存储介质。一种示例性的存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于特定用途集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)中。在本申请实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

本发明的实施例提供一种包含指令的计算机程序产品，当指令在计算机上运行时，使得计算机执行本申请提供的源信号波达方向的估计方法。

由于本发明的实施例中的源信号波达方向的估计装置、计算机可读存储介质、计算机程序产品可以应用于上述方法，因此，其所能获得的技术效果也可参考上述方法实施例，本发明实施例在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。