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电子器件 2023年第2期46卷 478-484页

作者：李鹏单钰强南京信息工程大学江苏省气象探测与信息处理重点实验室江苏南京210044 南京信息工程大学滨江学院自动化学院江苏无锡214105 南京信息工程大学江苏省气象传感网技术工程中心江苏南京210044

针对网格划分类算法导致的量化误差影响估计性能以及相干信源下难以准确定位的问题,提出了一种基于协方差拟合的离格气体泄漏源定位方法。利用协方差拟合准则重构出泄漏源在相干信号下的协方差矩阵,使其恢复Toeplitz特性,引入以L_(2)范... 详细信息

针对网格划分类算法导致的量化误差影响估计性能以及相干信源下难以准确定位的问题,提出了一种基于协方差拟合的离格气体泄漏源定位方法。利用协方差拟合准则重构出泄漏源在相干信号下的协方差矩阵,使其恢复Toeplitz特性,引入以L_(2)范数作为约束条件的离格模型,将恢复出的协方差矩阵与离格模型进行联合估计。最后利用泄压阀模拟气体管道泄漏的发生,对比低信噪比及相干信源下的仿真结果。实验分析表明:该方法虽然对快拍数依赖稍显敏感但是弥补了相干信源下传统稀疏恢复类算法的失效问题,同时在低信噪比情况下依然能够准确进行角度估计,为复杂环境下的气体泄漏监测提供了新的思路。

关键词：离格稀疏重构协方差拟合相干信源波达方向(DOA)估计

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基于协方差拟合旋转不变子空间信号参数估计算法的高分辨到达角估计

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上海交通大学学报 2017年第9期51卷 1145-1152页

作者：冯明月何明浩韩俊郁春来空军预警学院武汉430019

为进行高分辨到达角(DOA)估计的同时避免稀疏类算法的不足,提出了协方差拟合旋转不变子空间信号参数估计(ESPRIT)算法.首先将协方差拟合准则转换成半正定规划问题,利用凸优化进行求解,得到更接近理论值的信号协方差矩阵;然后对估计的信... 详细信息

为进行高分辨到达角(DOA)估计的同时避免稀疏类算法的不足,提出了协方差拟合旋转不变子空间信号参数估计(ESPRIT)算法.首先将协方差拟合准则转换成半正定规划问题,利用凸优化进行求解,得到更接近理论值的信号协方差矩阵;然后对估计的信号协方差矩阵进行特征分解,利用信号子空间和噪声子空间特征值的差异估计信源个数;最后利用子空间旋转不变性反解出未知DOA.仿真实验从DOA估计精度、分辨率等方面验证了该算法的有效性,较传统ESPRIT算法具有更高的DOA估计分辨率并且受相干信源影响小;与稀疏类算法相比,不依赖先验信息以及避免了网格失配问题.

关键词：到达角估计协方差拟合高分辨旋转不变子空间信号参数估计算法

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基于协方差拟合的MIMO雷达高精度DOA估计算法

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北京工业大学学报 2020年第2期46卷 140-146页

作者：窦慧晶谢金鑫孙璐杨帆北京工业大学信息学部

为了实现多输入多输出(multiple input and multiple out,MIMO)雷达高精度波达方向(direction of arrival,DOA)估计,结合协方差拟合算法和矩阵预处理算法给出解决方案.首先,针对MIMO雷达信号模型进行建模仿真,利用协方差拟合准则得到更... 详细信息

为了实现多输入多输出(multiple input and multiple out,MIMO)雷达高精度波达方向(direction of arrival,DOA)估计,结合协方差拟合算法和矩阵预处理算法给出解决方案.首先,针对MIMO雷达信号模型进行建模仿真,利用协方差拟合准则得到更接近理论值的协方差信号矩阵,用凸优化方法进行求解;针对噪声和相干信号对估计精度的影响,引入矩阵预处理方法对雷达接收信号进行额外的处理.然后,通过酉变换利用ESPRIT算法对MIMO雷达俯仰角和方位角进行联合估计,降低算法整体DOA估计运算量.最后,通过实验表明,本文所提出算法能在不增加运算量的前提下,有效提高MIMO雷达DOA估计精度.

关键词：多输入多输出(MIMO)雷达协方差拟合矩阵预处理酉变换 ESPRIT算法波达方向(DOA)估计

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基于小孔径麦克风阵列的声源高分辨定位

基于小孔径麦克风阵列的声源高分辨定位

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作者：丁林宁南京理工大学

学位级别：硕士

随着现代科技进步,非接触式故障定位技术得到了迅速发展。其中代表性产品声像仪其原理在于利用声源定位算法在相机采集的二维画面上显示故障声坐标,帮助检修人员快速排查故障产生位置。如今,声像仪为便于携带而减小体积,多使用小孔径麦... 详细信息

随着现代科技进步,非接触式故障定位技术得到了迅速发展。其中代表性产品声像仪其原理在于利用声源定位算法在相机采集的二维画面上显示故障声坐标,帮助检修人员快速排查故障产生位置。如今,声像仪为便于携带而减小体积,多使用小孔径麦克风阵列。与孔径较大的阵列相比,小孔径阵列点传播函数主瓣宽,在多源场景下空间分辨率低。针对于此,本文对基于小孔径麦克风阵列的高分辨定位算法展开研究。本文通过对小孔径阵列声学成像领域声源定位算法性能的理论分析,发现基于压缩感知(Compressed Sensing,CS)的协方差拟合法能够克服小孔径的影响,分辨率较高且对随机噪声的抑制性强。因此本文在CS的协方差拟合基础上研究高分辨定位算法。主要创新点包括:(1)针对基于CS的正则化协方差拟合法代价函数求解复杂的问题,提出一种基于交替更新的改进协方差拟合定位法(Covariance Matrix Fitting by Alternating Updating,CMF-AU)。利用低维形状矩阵和自适应稀疏约束参数对代价函数进行转换,同时引入更新矩阵作为辅助变量来简化代价函数,利用交替更新思想循环求解。(2)针对CMF-AU计算时间较长的问题,又设计了一种快速的增强正交最小二乘协方差拟合法(Covariance Matrix Fitting by Enhanced Orthogonal Least Square,CMFEOLS)。将正交最小二乘引入协方差拟合代价函数中,通过加权投影一次性识别源及其协方差加快运算速度。并在迭代过程中引入全局回溯,进一步提高定位准确性。CMF-AU较CMF-EOLS定位性能更好,但计算时间长;CMF-EOLS计算速度快,但低频段时受原子次优性影响性能降低。因此本文将两种算法优点综合,结合变电站尖端放电声源的应用场景,设计了一套两步法声源定位方案。先在低频段用CMF-AU粗搜索选定索引集,再在高频段用CMF-EOLS细搜索提高定位精度。在本文实验条件下,提出方案能够成功分辨测距10m,间距1m的双尖端放电声源,空间分辨率至少为6°,较单使用CMF-EOLS提升至少4°,较传统的互谱波束形成提升至少11°。同一条件下,提出方案的平均计算时间为6.106s,而单使用CMF-AU算法的计算时间为82.0981s。因此本文所提方案能够快速有效地提高声源定位的空间分辨率,可为设计基于小孔径麦克风阵列的高分辨声像仪提供一定思路。

关键词：麦克风阵列协方差拟合交替更新正交最小二乘全局回溯

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基于无网格压缩感知算法的多径时延估计研究

基于无网格压缩感知算法的多径时延估计研究

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作者：刘睿上海师范大学

学位级别：硕士

多径时延估计(Multipath Time Delay Estimation)作为高精度定位中的一种重要参数估计方法,是支撑现今智慧城市、自动驾驶、运动追踪等新场景的一项关键技术。然而在密集多径干扰的通信环境中,传统的时延估计方法受限于采样网络或稀疏... 详细信息

多径时延估计(Multipath Time Delay Estimation)作为高精度定位中的一种重要参数估计方法,是支撑现今智慧城市、自动驾驶、运动追踪等新场景的一项关键技术。然而在密集多径干扰的通信环境中,传统的时延估计方法受限于采样网络或稀疏网格密度的影响,无法满足估计精度需求。基于无网格压缩感知(Grid-less Compress Sensing)的方法可以提升参数估计问题的精度,为密集多径时延估计提供新的求解路线。本文旨在无网格压缩感知算法的基础上对密集多径时延估计问题进行研究。本文研究的主要工作如下:(1)针对传统网格类算法和离格类压缩感知算法对间隔较近的时延值可能无法分辨的问题,提出使用无网格方法(Grid-less)对离格稀疏迭代法(SPICE)进行改进,并进行了仿真实验。仿真结果表明,相较于传统算法和离格稀疏方法,无网格稀疏迭代法可以有效避免稀疏网格的影响,提高了估计性能。仿真结果表明,在信噪比大于0d B时,使用Chirp信号,无网格稀疏迭代法估计性能提升超过11%。仿真实验同样考虑使用OFDM信号模型进行分析,也证明了无网格稀疏迭代法具有较广泛的适用范围。(2)针对无网格稀疏迭代方法精度受到循环迭代阈值的限制,进行了将无网格优化方法SPA应用于时延估计问题中的研究。同时针对SPA算法中时间复杂度较高的问题,设计了将Wasserstein距离的思想应用于无网格稀疏优化时延估计的算法。仿真结果表明,相较于无网格稀疏迭代法,所采用的两种无网格稀疏优化方法可以有效避免迭代阈值的影响。信噪比大于0d B时,同样的仿真环境下,两种方法性能分别提升超过30%和11%,而后者相较于前者方法的复杂度降低了约O(K ),有效利用了信号稀疏的特性,提高了估计性能。(3)为了减少无网格优化算法的计算时长,本文基于无网格稀疏优化对信号的处理,设计了一种用于多径时延估计的基于无网格稀疏优化处理的一维卷积神经网络方法,以避免无网格算法中复杂求解过程。网络将经无网格优化算法处理后的相关矩阵作为输入,经由一维卷积神经网络处理后输出对应的时延参数。仿真结果表明,相较于无网格稀疏优化方法,经训练后用于多径时延估计的卷积神经网络在保证时延估计精度的同时大幅缩短了估计时长,约是离格稀疏迭代算法的1/10,约是无网格稀疏优化算法(SPA)的1/8000,有效减轻了系统的性能损失。

关键词：多径时延估计无网格方法压缩感知协方差拟合

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利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计

利用Toeplitz特性的无栅格目标波达方向估计

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作者：梁超西安电子科技大学

学位级别：硕士

基于阵列的波达方向估计(Direction of Arrival,DOA)是阵列信号处理的一个非常热门领域。传统的基于波束形成的空间谱估计方法和基于子空间的波达方向估计方法,在进行谱搜索的时候需要对空域搜索角度栅格化。后面又出现稀疏恢复类方法,... 详细信息

基于阵列的波达方向估计(Direction of Arrival,DOA)是阵列信号处理的一个非常热门领域。传统的基于波束形成的空间谱估计方法和基于子空间的波达方向估计方法,在进行谱搜索的时候需要对空域搜索角度栅格化。后面又出现稀疏恢复类方法,与基于子空间的方法相比,稀疏方法适用于广泛的应用场景,但其主要缺点不容忽视。为了实现稀疏性,连续角度空间必须进行栅格划分,栅格划分太密集会导致计算复杂度太高,甚至不满足有限等距性质;栅格划分太稀疏,算法的精度会降低严重。然而信号源的DOA估计属于连续角度空间而不是离散角度空间。基于栅格划分的所有方法都不可避免的带来偏差并在很大程度上影响估计性能。针对上述问题本文开展无栅格DOA的方法研究。具体工作如下:(1)本文分析了阵列信号模型和传统的子空间类算法MUSIC方法和无栅格的ESPRIT方法。本文阐述了一种改进的栅格类DOA算法,叫做基于稀疏迭代协方差的估计方法。该方法原理是无栅格的,使用了栅格化的迭代方式实现。最后介绍了一种名为无栅格稀疏和参数化线阵信号处理方法(Discretization-Free Sparse and Parametric Approach for Linear Array Signal Processing,SPA)的无栅格DOA估计方法。(2)本文提出了一种适用于均匀线阵和基于均匀线阵抽取的稀疏线阵的T矩阵重构无栅格DOA估计方法。该方法分为两个大的处理流程,首先利用阵列接收数据协方差矩阵,提出一种托普利兹化协方差矩阵快速重构方法,然后利用协方差矩阵的厄尔米特普利兹结构,具体重构过程被转换为半正定规划问题并且求解;然后利用范德蒙矩阵分解的唯一性原则,从重构的协方差矩阵中连续的估计感兴趣的参数,包括源位置、源功率等。通过数值仿真表明,所提方法在和SPA方法有相同性能的同时计算的时间耗时要低于后者,提升幅度在20%。本文所提方法基于凸优化,不需要信源数估计,同时还适用于任意数量的快拍,对相关源具有鲁棒性。(3)本文考虑幅相误差的问题,对所提方法进行了校正处理。最后自主设计了基于FPGA和DSP协同工作的硬件处理架构和硬件阵列信号处理板卡。通过实际的雷达信号测试证明本文设计的硬件架构信号捕获性能十分良好,完全达到设计指标。

关键词：阵列信号处理无栅格估计协方差拟合范德蒙分解参数估计硬件设计

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基于协方差稀疏迭代估计法的波达方向估计

基于协方差稀疏迭代估计法的波达方向估计

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第八届全国信号和智能信息处理与应用学术会议

作者：冼弘宇黄翔东天津大学电子信息工程学院

短快拍观测下的波达方向估计一直是阵列信号处理的难题。SPICE算法可在短快拍甚至单快拍观测下稳健地拟合协方差,它不需要设定超参数并且具有全局收敛的特性,因而非常适用于在短快拍观测下进行源信号的波达方向估计。本文深入分析了空... 详细信息

短快拍观测下的波达方向估计一直是阵列信号处理的难题。SPICE算法可在短快拍甚至单快拍观测下稳健地拟合协方差,它不需要设定超参数并且具有全局收敛的特性,因而非常适用于在短快拍观测下进行源信号的波达方向估计。本文深入分析了空间阵列信号的数学模型以及SPICE算法的原理,针对源信号的波达方向密集分布的情况,在不同信噪比下进行了数据模拟仿真;仿真实验表明:SPICE算法在信噪比为8dB的环境中仅需要单个快拍数据便可区分多个源信号的波达方向,且能量估计值准确。

关键词：阵列信号处理基于协方差稀疏迭代估计法（SPICE）协方差拟合波达方向估计

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