专利名称：基于music的并行山脊谱峰搜索方法
技术领域：
本发明涉及阵列信号处理领域，具体的说是ー种用于计算无线电辐射源的波达角并对其进行定位的基于MUSIC的并行山脊谱峰搜索方法。
背景技术：
空间谱估计是阵列信号处理领域的ー个重要分支，其目的是利用多个天线组成的天线阵列接收信号，计算无线电辐射源的波达角并对其进行定位。自上世纪八十年代以来，空间谱估计出现了以MUSIC和ESPRIT为代表的两类基于子空间的超分辨空间谱估计方法。传统估计方法中，ESPRIT通过计算得到无线电辐射源的 波达角，计算量小，效果较MUSIC差，同时该方法要求天线阵列必须存在两个相同阵列结构的子阵列。所以在一定天线数量条件下，有效天线数減少，将会导致估计精度的降低，更严重的是，在天线数有限或阵列结构不满足条件吋，ESPRIT方法无法适用。传统估计方法中的MUSIC方法，是通过搜索函数极值对无线电辐射源的波达角进行估计，其一维搜索估计式为(I) 4itsc= arSn^1 ah (O)UnUnh a(B)，式中，$表示方
位角，ぶ表示方位角估计值，6 表示噪声子空间的估计值；相应的ー维空间谱计算式(2)
Pl^v= }as(0)Unl)nsa(ff)
该方法在捜索吋，最简单谱峰搜索方法是将方位角6在一定范围内均匀取值，再计算对应式(2)的函数值，最后，取函数极大值对应的方位角对应式(I)的估计值，这种谱峰搜索方法运算量很大，不能满足实际工程应用的需要。因此MUSIC的快速谱峰搜索方法近年来一直是国际上研究热点，其主要研究成果及文献有
基于 MH 抽样的快速 MUSIC 方法《Reversible jump MCMC for joint detection andestimation of sources in colored noise》和《Fast MUSIC spectrum peak search viaMetropolis一Hastings sample》。这类快速方法在只有ー个目标时效果很好,但是，当有多个目标在空间角度接近时，无法保证收敛到不同目标，即无法保证全部目标被发现。求根MUSIC 方法《Fast root-MUSIC for arbitrary arrays》将 MUSIC 的谱峰搜索过程变为求根过程，減少了运算量。但是，R00T-MUSIC扩展到ニ维形式后，需要根据阵列结构加入一系列复杂运算，对阵列各种误差较为敏感。此外，还有PENCIL MUSIC、波束空间MUSIC等快速方法。以上提及的方法都是从数学原理出发减少MUSIC方法运算量，却忽略了 MUSIC谱的固有特性，即多个谱峰之间存在“山脊”现象。这是由于几个谱峰之间总存在一条路径，其构建的导向矢量与噪声子空间的正交性相比于周围点更差。也正是由于这一点，空间谱会出现伪峰，造成目标方位的错误估计
发明内容
本发明针对现有技术存在的缺点和不足，提出ー种能够有效降低运算复杂度、缩短捜索时间，快速准确的基于MUSIC的并行山脊谱峰捜索方法。本发明可以通过以下措施达到
一种基于MUSIC的并行山脊谱峰捜索方法，其特征在于先计算矩形捜索区域的任意两条相邻边的频谱，捜索这两条边界上的ー维极大值点，在所得极值点位置建立山脊并确立山脊走向，然后分别沿每条山脊进行谱值计算，并进行比较，若下次位置的谱值与当前位置的谱值相比较为首次下降，则将当前位置点添加至捜索结果中，区域内所有山脊搜索完毕后，输出搜索结果，完成谱峰搜索。本发明中计算矩形捜索区域的任意两条相邻边的频谱，是指将该矩形区域从视线坐标系映射到极坐标系下，选取两条邻边中的任意一条，按步长对另一条邻边均匀取值，进 行一维极值点的捜索，ー维空间谱计算式为の，选取其中极大
值点，用于建立山脊，当一条邻边计算完毕后，再按步长对另一条邻边均匀取值，完成两条邻边的一维极值点的搜索。本发明中所述沿每条山脊进行谱值计算，是指在搜索过程中，捜索的点为山脊上的点，即该点满足以下要求该点与其他山脊点连接，且该点谱值大于山脊线法线方向相邻点谱值，其中当山脊为左右方向，则该点谱值大于上下方向点的谱值，当山脊为上下方向，则该点谱值大于左右方向点的谱值，当山脊为斜45°方向，则该点与相邻山脊点的和大于矩形另ー对角线上两点和。本发明中所述沿每条山脊进行谱值计算，其中计算公式为ニ维公式 一 8 (&)t)n Um (0、，在计算的过程中以该山脊点为中心与该中心点相邻的八个
点，组成九个点的小区域，计算小区域中尚未计算谱值的点。本发明在沿山脊进行捜索的过程中，需要判断“山脊”是否已达边界或有相同方向山脊先到达，若成立，则此山脊搜索完成，进行下一条山脊的搜索，若该区域内所有山脊均捜索完成，则输出捜索结果；其中判断山脊是否已达边界是指，判断山脊是否到达矩形捜索区域的与上述两条邻边相对的另外两条邻边之一，若成立，则此山脊搜索完成；或者判断是否已经有相同方向山脊先到达，若成立，则此山脊搜索完成；其中判断山脊是否已达边界是指，判断山脊是否到达矩形捜索区域的与上述两条邻边相对的另外两条邻边之一，若成立，则此山脊搜索完成；或者判断是否已经有相同方向山脊先到达，需要ー个稀疏矩阵表示山脊已经到达位置，若该位置数值非0，则表示已经有相同方向山脊先到达，此山脊搜索完成。本发明中在沿山脊进行捜索的过程中，若一条山脊分叉为多个山脊，则对每条分叉分别进行捜索，捜索得到的结果需全部保存。本发明在搜索过程中，可以根据使用需要，将ー个待捜索的区域划分为多个小的矩形区域，然后按照上述捜索方法进行搜索。本发明与现有技术相比，通过直接沿山脊进行捜索，能够显著降低捜索复杂度，缩短捜索时间，从而实现无线电辐射源的准确定位，具有效率高、快速准确等显著的优点。


附图I是实施例中待捜索区域的示意图。
附图2是实施例中待捜索区域的划分示意图。附图3是实施例中待捜索区域调整完毕的空间谱图。附图4是实施例中采用本发明技术方案获得的搜索结果图。附图5是实施例中采用传统MUSIC方法获得的搜索结果图。附图6是实施例中两种方法在搜索精度为5°时运算量的对比图。附图7是实施例中本发明方法运算量与捜索精度关系示意图。
具体实施例方式 下面结合附图和实施例对本发明作进ー步的说明。通过Matlab软件仿真模拟，在相同条件下采用本发明技术方案与传统MUSIC谱峰搜索方法的对比如下
本实施例条件为7阵元均匀圆阵，半径, ，信噪比20dB，快拍2000，如附图I所
示，目标视线坐标为(-3.67 °，-2. 12。)、(-2.12。，3. 67。),(2. 12 °，-3. 67。)、(-3.67°，-2. 12° )，精度0. 5°，搜索范围方位角俯仰角都是(-10°，10° )。对附图I所示待捜索区域进行山脊谱峰捜索，包括以下步骤
步骤ー如附图2中的图a所示，利用中线将矩形捜索区域分割为四个小矩形，计算中线上的ー维极点值，如图2具体操作为，分别对矩形捜索区域按方位角方向(即横向方向)和俯仰角方向(即纵向方向)取中值，找到矩形区域的横向中线和纵向中线，将两条中线设为视线坐标系的两个维度，将视线坐标系映射到极坐标系下，分别对其中一维按步长均匀取值，计算其空间谱值，相应的ー维空间谱计算式
pMmy=なな^,搜索两条中线上的一维极值，获得一维极值点；
步骤2 :建立山脊并设定山脊走向，如附图2中的图b，图C，图d，图e所示，分别调整翻转分割后的四个小矩形，使已经计算的两条中线分别位于四个小矩形的左侧和上侧，分别对四个小矩形的左侧与上侧边长进行极大值搜索，捜索到的极大值结果定义为山脊上的点，同时设定左侧山脊方向为向右，上侧山脊方向向下，调整完毕的空间谱图如附图3所示；
步骤3 :分别对四个小矩形进行谱峰捜索，具体为选取小矩形左侧或上侧边长上的山脊上的点(即步骤2中所得的极大值点)，沿山脊计算山脊上的点的空间谱值，相应的计算式
为pMJSKi = )/,aWy比较当前谱值与下次位置的谱值,若与当前位置的谱
值相比较为首次下降，则将当前位置点添加至捜索结果中，本实施例中使用MATLAB并行エ具箱，对多个山脊同时向前捜索，在分别对四个小矩形内所有的山脊进行沿山脊谱峰捜索后，输出搜索结果如附图4所示，图中四个圆点位置表示目标真实方位。本发明只需计算空间谱峰值及峰值之间连接部分，且谱峰搜索过程沿着山脊进行，也即计算的空间谱峰值间连接部分具有山脊性质
该点与其他山脊点连接且该点谱值大于山脊线法线方向相邻点谱值其中当山脊为左右方向，贝1J大于上下方向点；当山脊为上下方向，贝1J大于左右方向点；当山脊为斜45°方向，则该点与相邻山脊点的和大于矩形另ー对角线上两点和。
本发明在实施过程中，将每条山脊作为ー个独立的捜索分支进行搜索，可以充分利用多核处理器实现并行捜索，从而大大缩短捜索时间，提高效率。本发明在搜索过程中，若空间谱只有唯一极大值则该算法退化为最速下降法。本发明在搜索过程中通过判断“山脊”是否已达边界或有相同方向山脊先到达，来判断此条山脊是否捜索完毕，具体为，若此条山脊已达边界或有相同方向山脊先到达，则此山脊搜索完成，进行本区域内下一条山脊的搜索，在实施例中，通过判断是否到达矩形捜索区域最右侧或最下侧，即可完成此条山脊是否捜索完毕的判断，其中若已达矩形捜索区域的最右侧或最下侧，或已经有相同方向山脊先到达，则此山脊搜索完成；
本发明在沿山脊搜索的过程中，以当前山脊点为中心与该中心点相邻的八个点，组成九个点的小区域，计算小区域中尚未计算谱值的点。本发明中若一条山脊分叉为多个山脊，需要分 别对每个分叉进行搜索，并保存捜
索結果。本发明中允许的山脊方向规则为(1)山脊移动方向上的点需要满足山脊性质，即该点与其他山脊点连接且该点谱值大于山脊线法线方向相邻点谱值其中当山脊为左右方向，贝1J大于上下方向点；当山脊为上下方向，贝1J大于左右方向点；当山脊为斜45°方向，则该点与相邻山脊点的和大于矩形另ー对角线上两点和；(2)设原始确定的山脊方向为原始方向，山脊前进方向与原始方向夹角小于等于90°，如原始方向向右，则之后山脊移动方向只能是上、右上、右、右下、下；(3)山脊每一次移动形成的方向称为移动方向，山脊移动方向与上次移动方向夹角小于等于90° ;(4)在一山脊点，当满足条件(1)、(2)、(3)的相邻山脊点为多个时，相邻山脊点与原山脊点两两夹角大于45°，且以水平垂直方向优先；如山脊向右，上侧、右上侧、下侧都满足以上条件，则取上侧、下侧为山脊(右上)；
传统MUSIC谱峰搜索方法为现有技术，此不赘述，在本实施例设定条件下实施，搜索结果如附图5所示，图中四个圆点位置表示目标真实方位，两种技术方案按相同的捜索精度工作的情况下，运算量对比如附图6所示。由以上可知，本发明所述技术方案能够达到传统的捜索的准确性，同时能够大大降低捜索运算量，本发明利用了山脊以及目标峰值点的性质，通过采用沿谱峰搜索的方式，能够快速准确的找到目标点，进而加快对无线电辐射源的定位，与现有的“地毯式”谱峰搜索方式相比，缩短了捜索时间、降低捜索的复杂度，具有快速准确的显著的优点。
权利要求
1.一种基于MUSIC的并行山脊谱峰搜索方法，其特征在于先计算矩形搜索区域的任意两条相邻边的频谱，搜索这两条边界上的一维极大值点，在所得极值点位置建立山脊并确立山脊走向，然后分别沿每条山脊进行谱值计算，并进行比较，若下次位置的谱值与当前位置的谱值相比较为首次下降，则将当前位置点添加至搜索结果中，区域内所有山脊搜索完毕后，输出搜索结果，完成谱峰搜索。
2.根据权利要求I所述的一种基于MUSIC的并行山脊谱峰搜索方法，其特征在于计算矩形搜索区域的任意两条相邻边的频谱，是指将该矩形区域从视线坐标系映射到极坐标系下，选取两条邻边中的任意一条，按步长对另一条邻边均匀取值，进行一维极值点的搜索，一维空间谱计算式为，
3.根据权利要求I所述的一种基于MUSIC的并行山脊谱峰搜索方法，其特征在于所述沿每条山脊进行谱值计算，是指在搜索过程中，搜索的点为山脊上的点，即该点满足以下要求该点与其他山脊点连接，且该点谱值大于山脊线法线方向相邻点谱值，其中当山脊为左右方向，则该点谱值大于上下方向点的谱值，当山脊为上下方向，则该点谱值大于左右方向点的谱值，当山脊为斜45°方向，则该点与相邻山脊点的和大于矩形另一对角线上两点和。
4.根据权利要求I所述的一种基于MUSIC的并行山脊谱峰搜索方法，其特征在于计算公式为二维公式P
5.根据权利要求I所述的一种基于MUSIC的并行山脊谱峰搜索方法，其特征在于在沿山脊进行搜索的过程中，需要判断“山脊”是否已达边界或有相同方向山脊先到达，若成立，则此山脊搜索完成，进行下一条山脊的搜索，若该区域内所有山脊均搜索完成，则输出搜索结果，其中判断山脊是否已达边界是指，判断山脊是否到达矩形搜索区域的与上述两条邻边相对的另外两条邻边之一，若成立，则此山脊搜索完成；或者判断是否已经有相同方向山脊先到达，若成立，则此山脊搜索完成。
6.根据权利要求I所述的一种基于MUSIC的并行山脊谱峰搜索方法，其特征在于在沿山脊进行搜索的过程中，若一条山脊分叉为多个山脊，则对每条分叉分别进行搜索，搜索得到的结果需全部保存。
7.根据权利要求I所述的一种基于MUSIC的并行山脊谱峰搜索方法，其特征在于在搜索过程中将一个待搜索的区域划分为两个以上小的矩形区域，然后按照上述搜索方法对两个以上小的矩形区域分别进行搜索。
8.根据权利要求5所述的一种基于MUSIC的并行山脊谱峰搜索算法，其特征在于判断山脊是否已达边界是指，判断山脊是否到达矩形搜索区域的与上述两条邻边相对的另外两条邻边之一，若成立，则此山脊搜索完成；或者判断是否已经有相同方向山脊先到达，判断时采用稀疏矩阵表示山脊已经到达位置，若该位置数值非O，则表示已经有相同方向山脊先到达,此山脊搜索完成。
全文摘要
本发明涉及阵列信号处理领域，具体的说是一种用于计算无线电辐射源的波达角并对其进行定位的基于MUSIC的并行山脊谱峰搜索方法，其中先计算矩形搜索区域的任意两条相邻边的频谱，搜索这两条边界上的一维极大值点，在所得极值点位置建立山脊并确立山脊走向，然后分别沿每条山脊进行谱值计算，并进行比较，若下次位置的谱值与当前位置的谱值相比较为首次下降，则将当前位置点添加至搜索结果中，区域内所有山脊搜索完毕后，输出搜索结果，完成谱峰搜索，本发明能够快速准确的找到目标点，进而加快对无线电辐射源的定位，与现有的“地毯式”谱峰搜索方式相比，缩短了搜索时间、降低搜索的复杂度，具有快速准确的显著的优点。
文档编号G01S1/08GK102819007SQ20121026790
公开日2012年12月12日 申请日期2012年7月31日 优先权日2012年7月31日
发明者林志敏, 毛兴鹏, 果然, 牛静 申请人:哈尔滨工业大学(威海)