多频带联合稀疏重构方法实现的二维宽带信号快速超分辨测向装置

申请号 CN201510076664.0 申请日 2015-02-12 公开(公告)号 CN104614703A 公开(公告)日 2015-05-13
申请人 黑龙江大学; 发明人 甄佳奇;
摘要 多频带联合稀疏重构方法实现的二维宽带 信号 快速超分辨测向装置,属于信号估计与 信号处理 领域。为了解决现有的稀疏重构技术实现的宽带信号超分辨测向方法计算量较大导致实现速度较慢的问题。它包括N个DSP处理器和SRAM 存储器 ,N个DSP处理器包括一个主DSP处理器和N-1个从DSP处理器;SRAM存储器,用于存储宽带信号的稀疏矩阵N个DSP处理器将J个频点的 采样 数据均匀分配且并行处理,并采用多频带联合稀疏重构方法处理各频点的采样数据,获得宽带信号的 角 度估计值。主DSP处理器对各DSP处理器获得的角度估计值求和取平均,获得的均值为最终测向角度值。它用于雷达、声呐、弹载系统及无线电探测装置中。
权利要求

1.多频带联合稀疏重构方法实现的二维宽带信号快速超分辨测向装置,其特征在于,所述测向装置包括1个SRAM处理器和Z个DSP处理器,所述Z个DSP处理器包括1个主DSP处理器和Z-1个从DSP处理器;
SRAM存储器,用于存储宽带信号的稀疏矩阵
主DSP处理器,用于接收多通道宽带数字接收机2发送的J个频点的采样数据,并将其中(Z-1)W个频点的采样数据均匀分配给Z-1个从DSP处理器,其中J/Z=W,W、Z和J均为正整数;还用于根据SRAM存储器存储的稀疏矩阵 对剩余的W个频点的采样数据采用多频带联合稀疏重构方法获得宽带信号的度估计值;还用于接收所述多个从DSP处理器发送的宽带信号角度估计值,对获得的宽带信号的角度估计值和接收的宽带信号角度估计值求和取平均,获得的平均值为最终测向角度值;
从DSP处理器,用于接收分配的W个频点的采样数据;还用于根据SRAM存储器存储的稀疏矩阵 对W个频点的采样数据采用多频带联合稀疏重构方法获得宽带信号的角度估计值;还用于将获得的角度估计值发送给主DSP处理器。
2.根据权利要求1所述的多频带联合稀疏重构方法实现的二维宽带信号快速超分辨测向装置,其特征在于,
所述信号方向的稀疏矩阵:
其中,向量 为阵列对方向 入射的宽带信号在频率点fk的方向向
量,宽带信号到达方向的角度网格集合
为网格集合Ω中第p个信号的方位角, 为网格集合Ω中第p个信号的俯仰角,p=1,2,…,P。
3.根据权利要求2所述的多频带联合稀疏重构方法实现的二维宽带信号快速超分辨测向装置,其特征在于,
所述从DSP处理器,根据SRAM存储器存储的稀疏矩阵 对W个频点的采样数据采用多频带联合稀疏重构方法获得宽带信号的角度估计值的过程包括:
步骤一:根据W个频点的采样数据,获得ES(fk)和权矩阵W(fk),1≤k≤W;转入步骤二;
其中,权矩阵 宽带信号在频率fk处的协方差矩
阵的对角阵Σ(fk)由特征值λ1、λ2"λM组成:
所述特征值满足如下关系:
2
λ1(fk)≥λ2(fk)≥…≥λN(fk)>λN+1(fk)=…=λM(fk)=σ;
2
N特征向量
步骤二:设支撑集 根据获得的ES(fk)和W(fk),结合存储的稀疏矩阵
获得Dk,n,转入步骤三;
1/2
其中 Yk,n=W (fk)[n,n]·ES(fk)
[:,n],1≤n≤N,N为宽带信号的个数;
步骤三:利用获得的Dk,n,求取
步骤四:令λ=0.95,τmin=0.1,q=1,集合Q={t0},且τ=D[t0],其中转入步骤五,t为D的索引,是自变量;
步骤五:对于t∈Q,1≤n≤N,1≤k≤W,采用下降搜索法更新支撑集 获得更新后的支撑集 转入步骤六;
步骤六:利用步骤五更新后的支撑集 更新D,转入步骤七;
步骤七:根据步骤六获得的D,求取 转入步骤八;
步骤八:判断D[t]是否大于τ,若是,则将集合 的内容更新至集合Q内,同时q=q+1,转入步骤九;若否,则τ=λτ,转入步骤九;
步骤九:当q≤N或τ≥τmin时,集合Q为测向角度估计值的集合,否则,转入步骤五。
4.根据权利要求3所述的多频带联合稀疏重构方法实现的二维宽带信号快速超分辨测向装置,其特征在于,所述主DSP处理器和从DSP处理器之间的连接采用共享总线紧耦合方式或链路口级联松耦合方式或时分复用串行口方式连接。

说明书全文

多频带联合稀疏重构方法实现的二维宽带信号快速超分辨

测向装置

技术领域

[0001] 本发明属于信号估计与信号处理领域。

背景技术

[0002] 宽带信号超分辨测向方法可以分为三大类:第一类是基于最大似然的方法,在高斯噪声假定下,基于最大似然的估计算法精度是最高的。虽然它能达到最优的估计性能,但需要信号源联合功率谱密度的先验信息,代价函数结构复杂,运算量大,且容易收敛到局部极值,因此并不常用;第二类是基于子空间的方法,它又包括非相干信号子空间方法和相干信号子空间方法,由于这类方法需要对各个频点的数据进行处理,而且往往要对到达方向进行预估计,同时还需要进行多维搜索,特别是对于二维信号来说运算量十分巨大。而且在低信噪比和小快拍数时容易造成总体估计性能较低;第三类是稀疏重构类方法,这是近十几年来兴起的一种估计宽带信号DOA的方法。稀疏重构属于压缩感知的范畴,通过频域分解后宽带阵列信号模型的稀疏扩展结构和频带间信号的联合稀疏性,同时利用基追踪或正交匹配追踪等方法来实现信号的DOA估计,可以直接处理信号度间隔较小、相干等特殊情况,但追踪过程的计算量较大。
[0003] 最大似然类方法最大的问题是容易收敛到局部极值,它会对最后的估计值造成直接的影响;子空间类方法往往需要进行角度预估计及聚焦处理,同时还需要进行多维搜索,计算较为复杂;而稀疏重构类方法虽然分辨较高,但是由于后续的追踪过程较为繁琐,所以计算量仍然较大。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了解决现有的稀疏重构技术实现的宽带信号超分辨测向方法计算量较大导致实现速度较慢的问题,本发明提供一种多频带联合稀疏重构方法实现的二维宽带信号快速超分辨测向装置。
[0005] 本发明的多频带联合稀疏重构方法实现的二维宽带信号快速超分辨测向装置,[0006] 所述测向装置包括1个SRAM处理器和Z个DSP处理器,所述Z个DSP处理器包括1个主DSP处理器和Z-1个从DSP处理器;
[0007] SRAM存储器,用于存储宽带信号的稀疏矩阵
[0008] 主DSP处理器,用于接收多通道宽带数字接收机2发送的J个频点的采样数据,并将其中(Z-1)W个频点的采样数据均匀分配给Z-1个从DSP处理器,其中J/Z=W,W、Z和J均为正整数;还用于根据SRAM存储器存储的稀疏矩阵 对剩余的W个频点的采样数据采用多频带联合稀疏重构方法获得宽带信号的角度估计值;还用于接收所述多个从DSP处理器发送的宽带信号角度估计值,对获得的宽带信号的角度估计值和接收的宽带信号角度估计值求和取平均,获得的平均值为最终测向角度值;
[0009] 从DSP处理器,用于接收分配的W个频点的采样数据;还用于根据SRAM存储器存储的稀疏矩阵 对W个频点的采样数据采用多频带联合稀疏重构方法获得宽带信号的角度估计值;还用于将获得的角度估计值发送给主DSP处理器。所述信号方向的稀疏矩阵
[0010] 其中,向量 为阵列对方向 入射的宽带信号在频率点fk的方向向量,宽带信号到达方向的角度网格集合
[0011] 为网格集合Ω中第p个信号的方位角, 为网格集合Ω中第p个信号的俯仰角,p=1,2,…,P。
[0012] 所述从DSP处理器,根据SRAM存储器存储的稀疏矩阵 对W个频点的采样数据采用多频带联合稀疏重构方法获得宽带信号的角度估计值的过程包括:
[0013] 步骤一:根据W个采样频点的采样数据,获得ES(fk)和权矩阵W(fk),1≤k≤W;转入步骤二;
[0014] 其中,权矩阵 宽带信号在频率fk处的协方差矩阵的对角阵Σ(fk)由特征值λ1、λ2…λM组成:
[0015]
[0016] 所述特征值满足如下关系:
[0017] λ1(fk)≥λ2(fk)≥…≥λN(fk)>λN+1(fk)=…=λM(fk)=σ2;
[0018] N特征向量
[0019] 步骤二:设支撑集 根据获得的ES(fk)和W(fk),结合存储的稀疏矩阵获得Dk,n,转入步骤三;1/2
[0020] 其中 Yk,n=W (fk)[n,n]·ES(fk)[:,n],1≤n≤N,N为宽带信号的个数;
[0021] 步骤三:利用获得的Dk,n,求取
[0022] 步骤四:令λ=0.95,τmin=0.1,q=1,集合Q={t0},且τ=D[t0],其中转入步骤五,t为D的索引,是自变量;
[0023] 步骤五:对于t∈Q,1≤n≤N,1≤k≤W,采用下降搜索法更新支撑集获得更新后的支撑集 转入步骤六;
[0024] 步骤六:利用步骤五更新后的支撑集 更新D,转入步骤七;
[0025] 步骤七:根据步骤六获得的D,求取 转入步骤八;
[0026] 步骤八:判断D[t]是否大于τ,若是,则将集合 的内容更新至集合Q内,同时q=q+1,转入步骤九;若否,则τ=λτ,转入步骤九;
[0027] 步骤九:当q≤N或τ≥τmin时,集合Q为测向角度估计值的集合,否则,转入步骤五。
[0028] 所述主DSP处理器和从DSP处理器之间的连接采用共享总线紧耦合方式或链路口级联松耦合方式或时分复用串行口方式连接。
[0029] 所述
[0030]
[0031] supp{}表示支撑,Yk,n为ES(fk)W1/2的第n列。
[0032] 本发明的有益效果在于,本发明所述的测向装置,根据频带间信号的联合稀疏性,利用并行处理手段,将天线阵元采集的样本点划分成多组数据,将每组数据分别进行频域拟合处理,之后对它们进行综合来估计最终信号的到达方向(Direction of arrival,DOA)。本发明根据工程领域快速测量角度的需要,在实际装置中同时使用多片数字信号处理器,采用并行处理来实现以上的方法。大大提高了处理速度,本发明能够广泛的应用于雷达、声呐、弹载系统以及其它无线电探测装置中。本发明当信号相对带宽30%,信噪比为0dB、30个频点,每个频点下快拍数20时,(1)测向精度:1°/σ;(2)硬件系统运算时间:≤50ms。附图说明
[0033] 图1为具体实施方式一所述的阵列信号模型。
[0034] 图2为宽带信号探测系统的原理示意图。
[0035] 图3为具体实施方式二中采用共享总线紧耦合方式的多频带联合稀疏重构方法实现的二维宽带信号快速超分辨测向装置。
[0036] 图4为具体实施方式三中采用链路口级联松耦合方式的多频带联合稀疏重构方法实现的二维宽带信号快速超分辨测向装置。
[0037] 图5为具体实施方式四中采用时分复用串行口方式的多频带联合稀疏重构方法实现的二维宽带信号快速超分辨测向装置。

具体实施方式

[0038] 具体实施方式一:结合图1和图2说明本实施方式,图1所述的宽带信号探测系统,所述探测系统包括宽带天线阵列1、多通道宽带数字接收机2和本实施方式的多频带联合稀疏重构方法实现的二维宽带信号快速超分辨测向装置3,本实施方式所述的多频带联合稀疏重构方法实现的二维宽带信号快速超分辨测向装置3,所述测向装置包括1个SRAM处理器和Z个DSP处理器,所述Z个DSP处理器包括1个主DSP处理器和Z-1个从DSP处理器;
[0039] SRAM存储器,用于存储宽带信号的稀疏矩阵
[0040] 主DSP处理器,用于接收多通道宽带数字接收机2发送的J个频点的采样数据,并将其中(Z-1)W个频点的采样数据均匀分配给Z-1个从DSP处理器,其中J/Z=W,W、Z和J均为正整数;还用于根据SRAM存储器存储的稀疏矩阵 对剩余的W个频点的采样数据采用多频带联合稀疏重构方法获得宽带信号的角度估计值;还用于接收所述多个从DSP处理器发送的宽带信号角度估计值,对获得的宽带信号的角度估计值和接收的宽带信号角度估计值求和取平均,获得的平均值为最终测向角度值;
[0041] 从DSP处理器,用于接收分配的W个频点的采样数据;还用于根据SRAM存储器存储的稀疏矩阵 对W个频点的采样数据采用多频带联合稀疏重构方法获得宽带信号的角度估计值;还用于将获得的角度估计值发送给主DSP处理器。
[0042] 如图1所示的阵列信号模型,考虑XY平面内有M个全向阵元构成了一个平面天线阵列,有N个远场非相关宽带信号从(φn,θn)(n=1,2,…,N)入射到阵列上,其中φn为2
第n个信号的方位角,θn为第n个信号的俯仰角,背景噪声为零均值、方差为σ 的高斯白噪声,则第m个阵元所接收到的信号可以表示为:
[0043]
[0044] 其中设观测时间△T内,信号采样次数为L,则在tl(l=1,2,…L)时刻,阵列输出的矩阵形式为:
[0045]
[0046] 设阵列信号子带数为J,则对阵列输出进行傅里叶变换后,阵列的采样输出可表示成为
[0047] X(fk)=A(fk)S(fk)+N(fk)k=1,2,…,J (3)
[0048] 式中的方向矩阵A(fk)由下式确定
[0049]
[0050] 向量a(fk,φn,θn)为阵列对方向(φn,θn)(n=1,2,…,N)入射的宽带信号在频率点fk的方向向量,X(fk)的协方差矩阵为:H
[0051] R(fk)=E[X(fk)X(fk)]H H 2
[0052] =A(fk)E[S(fk)S(fk)]A(fk)+σI (k=1,2,…,J) (5)H 2
[0053] =A(fk)RS(fk)A(fk)+σIH
[0054] 其中RS(fk)=E[S(fk)S(fk)]为信号源在频率为fk处的协方差矩阵。式(5)可以进一步写成如下的形式
[0055]
[0056] 对角阵Σ(fk)由特征值组成
[0057]
[0058] 上式中特征值满足如下关系
[0059] λ1(fk)≥λ2(fk)≥…≥λN(fk)>λN+1(fk)=…=λM(fk)=σ2 (8)[0060] 信号的方向向量ES(fk)为前N个较大特征值对应的特征向量,EN(fk)为其余M-N个较小特征值对应的特征向量,综合各个频点上的信号可得到宽带加权子空间拟合表达式[0061]
[0062] 其中权矩阵W满足下式
[0063]
[0064] 倘若采用子空间拟合的方法来对上式求解,则需要宽带聚焦及多维搜索,所以可以采用多频点联合重构来处理上式。
[0065] 建立角度集 它包含了所有角度可能到达的方向,结合阵列流型可以得到如下的稀疏矩阵:
[0066]
[0067] 将式(9)中的A(fk)Tk进行扩展
[0068]
[0069] 为行稀疏矩阵,它非零行的位置对应Ω中实际的到达角度。各个频带对应的有着相同的稀疏结构,根据这一原理可以将式(9)按以下方法求解
[0070]
[0071]
[0072] 将上式进行整理
[0073]
[0074]1/2
[0075] supp{}表示支撑,Yk,n为ES(fk)W 的第n列,τ为调整因子。为了使信号频带间和频带内的联合稀疏性得到保证,可以采用同伦方法解决式(14):
[0076] 所述从DSP处理器,根据SRAM存储器存储的稀疏矩阵 对W个频点的采样数据采用多频带联合稀疏重构方法获得宽带信号的角度估计值的过程包括:
[0077] 步骤一:根据W个采样频点的采样数据,获得ES(fk)和权矩阵W(fk),1≤k≤W;转入步骤二;
[0078] 其中,权矩阵 宽带信号在频率fk处的协方差矩阵的对角阵Σ(fk)由特征值λ1、λ2…λM组成:
[0079]
[0080] 所述特征值满足如下关系:
[0081] λ1(fk)≥λ2(fk)≥…≥λN(fk)>λN+1(fk)=…=λM(fk)=σ2;
[0082] N
[0083] 步骤二:设支撑集 根据获得的ES(fk)和W(fk),结合存储的稀疏矩阵获得Dk,n,转入步骤三;
[0084] 其中 Yk,n=W1/2(fk)[n,n]·ES(fk)[:,n],1≤n≤N,N为宽带信号的个数;
[0085] 步骤三:利用获得的Dk,n,求取
[0086] 步骤四:令λ=0.95,τmin=0.1,q=1,集合Q={t0},且τ=D[t0],其中转入步骤五,t为D的索引,是自变量;
[0087] 步骤五:对于t∈Q,1≤n≤N,1≤k≤W,采用下降搜索法更新支撑集获得更新后的支撑集 转入步骤六;
[0088] 步骤六:利用步骤五更新后的支撑集 更新D,转入步骤七;
[0089] 步骤七:根据步骤六获得的D,求取 转入步骤八;
[0090] 步骤八:判断D[t]是否大于τ,若是,则将集合 的内容更新至集合Q内,同时q=q+1,转入步骤九;若否,则τ=λτ,转入步骤九;
[0091] 步骤九:当q≤N或τ≥τmin时,集合Q为测向角度估计值的集合,否则,转入步骤五。
[0092] 具体实施方式二:结合图2和图3说明本实施方式,本实施方式是对具体实施方式一所述的多频带联合稀疏重构方法实现的二维宽带信号快速超分辨测向装置的进一步限定,图2所述的宽带信号探测系统,所述探测系统包括宽带天线阵列1、多通道宽带数字接收机2和本实施方式的宽带信号超分辨测向装置3,所述测向装置3采用6片数字信号处理器,采用共享总线紧耦合方式组成多处理器系统实现并行处理。
[0093] 如图3所示,数字信号处理器采用Analog Device Instruments(ADI)公司的ADSP-TS201S,采用6片DSP处理器对以上方法并行处理,6片DSP处理器通过共享总线紧耦合方式连接,上电后PROM模3-8首先将程序加载给CPLD模块3-7,以便对DSP处理器3-1~DSP处理器3-6进行配置,之后FLASH模块3-9将程序通过总线加载给这6块DSP处理DSP处理器3-1~3-6,之后主DSP处理器3-1首先计算各频点下 的值,之后将其存储到SRAM模块3-10中,以便执行后续算法的时候调用,之后主DSP处理器3-1开始接收多通道宽带数字接收机2传来的J个频点的观测数据,把它们分为Z组,此时Z=6,再假设J=30,则每片DSP可以处理W=30/6=5个频点的观测数据,主DSP处理器3-1通过总线将其它从DSP处理器3-2~从DSP处理器3-6负责处理的观测数据传递给它们,之后每个DSP处理器3-1~DSP处理器3-6都按照以上理论推导的步骤进行求解,之后5片从DSP处理器3-2~从DSP处理器3-6将各自的估计值通过总线传给主DSP处理器3-1,主DSP处理器3-1再将这些结果取平均得出最终结果。其中JTAG模块3-11负责对DSP处理器3-1~DSP处理器3-6进行调试,电源模块3-12负责整体供电,晶振模块3-13负责提供时钟,复位模块3-14负责提供复位信号。
[0094] 具体实施方式三:结合图2和图4具体说明本实施方式,本实施方式是对具体实施方式一所述的多频带联合稀疏重构方法实现的二维宽带信号快速超分辨测向装置的进一步限定,
[0095] 图1所述的宽带信号探测系统,所述探测系统包括宽带天线阵列1、多通道宽带数字接收机2和本实施方式的宽带信号超分辨测向装置3,所述测向装置3采用6片数字信号处理器,采用链路口级联松耦合方式组成多处理器系统实现并行处理。
[0096] 如图4所示,数字信号处理器采用Analog Device Instruments(ADI)公司的ADSP-TS201S,采用6片处理器对以上方法并行处理,6片DSP处理器通过链路口级联松耦合方式连接,上电后PROM模块3-8首先将程序加载给CPLD模块3-7,以便对DSP处理器3-1~DSP处理器3-6进行配置,之后FLASH模块3-9将这6片DSP处理器的程序加载给主DSP处理器3-1,之后主DSP处理器3-1再依次将其它从DSP处理器3-2~从DSP处理器3-6的程序通过链路口一级一级传给它们,之后主DSP处理器3-1开始计算各频点下 的值,之后将其存储到SRAM模块3-10中,以便执行后续算法的时候调用,之后主DSP处理器3-1开始接收多通道宽带数字接收机2传来的J个频点的观测数据,把它们分为Z组,此时Z=6,再假设J=30,则每片DSP可以处理W=30/6=5个频点的观测数据,主DSP处理器3-1再通过链路口将其它从DSP处理器3-2~从DSP处理器3-6负责处理的观测数据一级一级逐次传递给它们,之后每个DSP处理器3-1~DSP处理器3-6都按照以上理论推导的步骤进行求解,之后5片从DSP处理器3-2~从DSP处理器3-6将各自的估计值通过链路口上传到主DSP处理器3-1,主DSP处理器3-1再将这些结果取平均得出最终结果。其中JTAG模块3-11负责对DSP处理器3-1~DSP处理器3-6进行调试,电源模块3-12负责整体供电,晶振模块3-13负责提供时钟,复位模块3-14负责提供复位信号。
[0097] 具体实施方式四:结合图2和图5具体说明本实施方式,本实施方式是对具体实施方式一所述的多频带联合稀疏重构方法实现的二维宽带信号快速超分辨测向装置的进一步限定,图1所述的宽带信号探测系统,所述探测系统包括宽带天线阵列1、多通道宽带数字接收机2和本实施方式的宽带信号超分辨测向装置3,所述测向装置3采用6片数字信号处理器,采用时分复用串行口方式组成多处理器系统实现并行处理。
[0098] 如图5所示,数字信号处理器采用Texas Instruments(TI)公司的TMS320C5X,采用6片处理器对以上方法并行处理,6片DSP处理器通过时分复用串行口连接,上电后PROM3-8首先将程序加载给CPLD模块3-7,以便对DSP处理器3-1~DSP处理器3-6进行配置,之后FLASH模块3-9也将程序加载给这6块DSP处理器3-1~DSP处理器3-6,之后主DSP处理器3-1首先计算各频点下 的值,之后将其存储到SRAM模块3-10中,以便执行后续算法的时候调用,之后主DSP处理器3-1开始接收多通道宽带数字接收机2传来的J个频点的观测数据,把它们分为Z组,此时Z=6,再假设J=30,则每片DSP可以处理W=30/6=5个频点的观测数据,主DSP处理器3-1通过时分复用串行口将其它从DSP处理器3-2~从DSP处理器3-6负责处理的观测数据传递给它们,之后每个DSP处理器3-1~DSP处理器3-6都按照以上理论推导的步骤进行求解,之后5片从DSP处理器3-2~从DSP处理器3-6将各自的估计值通过时分复用串行口传给主DSP处理器3-1,主DSP处理器3-1再将这些结果取平均得出最终结果。其中JTAG模块3-11负责对DSP处理器进行调试,电源模块3-12负责整体供电,晶振模块3-13负责提供时钟,复位模块3-14负责提供复位信号。
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