【方位估计】基于music算法均匀线阵的标量阵与矢量阵的方位估计附Matlab源码

原创

matlab科研助手 2023-06-27 06:23:05 ©著作权

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⛄ 内容介绍

MUSIC（Multiple Signal Classification）算法是用的高分辨率频谱估计方法，用于在阵列信号中进行信号源定位和方位估计。以下是MUSIC算法的基本原理：

数据采集：通过阵列传感器（如天线）收集到来自多个信号源的数据。
构建协方差矩阵：根据接收到的数据，构建阵列的协方差矩阵。协方差矩阵描述了各个传感器之间的相关性。
特征分解：对协方差矩阵进行特征值分解，得到其特征值和特征向量。
构建噪声子空间：根据特征值的大小，构建噪声子空间。噪声子空间对应于特征值较小的特征向量，表示仅由噪声构成的信号子空间。
构建信号子空间：根据特征值的大小，构建信号子空间。信号子空间对应于特征值较大的特征向量，表示包含信号源信息的信号子空间。
MUSIC谱估计：通过对信号子空间和噪声子空间进行投影，计算出MUSIC谱。MUSIC谱是一个与入射角的频谱，主要关注信号子空间与投影矩阵之间中搜索峰值，每个峰值对应于一个可能存在的信号源的方位角，这可以通过找到MUSIC谱中最低的峰值点来实现。

基于MUSIC算法的均匀线阵的方位估计可以应用于标量阵和矢量阵。

对于标量阵（ Array），MUSIC算法通过构建协方差矩阵，对接收到的传感器阵列数据进行特征分解。然后利用特征向量和特征值对应的信号子空间来进行方位估计。MUSIC算法会空间谱估计中的峰值，每个峰值对应于一个信号源的方位角。

对于矢量阵（Vector Array）或复数传感器阵列，MUSIC算法在基本原理上与标量阵相同。区别在矢量阵使用的是矢量传感器或具有多个输入通道的传感器作为阵列元素，可以提供更丰富的信息。矢量阵的方位估计所涉及的计算和处理更为复杂，但也可以利用MUSIC算法进行估计。

无论是标量阵还是矢量阵，MUSIC算法的核心思想是通过特征值分解和信号子空间搜索，识别信的方位角。在实际应用中，可能需要根据具体情况选择合适的传感器阵列类型，并根据数据特点进行算法参数的调整优化，以提高方位估计的准确性和鲁棒性。

⛄ 部分代码

clc;
clear all ;
close all;
%%%%%%%% MUSIC for Uniform Linear Array%%%%%%%%
derad = pi/180;      %角度->弧度
N = 8;               % 阵元个数        
M =1;               % 信源数目
theta = 30;         % 待估计角度
phi=60;
Snr = -15:5:15;            % 信噪比
K = 512;             % 快拍数
E0=[];
E1=[];
V0=[];
V1=[];
dd = 0.5;            % 阵元间距 
d=0:dd:(N-1)*dd;
c=[1,cos(theta*derad)*sin(phi*derad),sin(theta*derad)*sin(phi*derad),cos(phi*derad)];
A=exp(-1i*2*pi*d.'*sin(theta*derad));          %标量阵方向矢量
A1=kron(A,c');        %矢量阵方向矢量
for snr=-15:5:15
for jj = 1:50
%%%%构建信号模型%%%%%
S=randn(M,K);             %信源信号，入射信号
X=A*S;%构造接收信号
X1=A1*S;
X=awgn(X,snr,'measured'); %将白色高斯噪声添加到信号中
X1=awgn(X1,snr,'measured');
% 计算协方差矩阵
Rxx=X*X'/K;
Rxx1=X1*X1'/K;

V1=[V1;p];
end
figure
h0=plot(Snr,V0,'r');
hold on
h1=plot(Snr,V1,'b');
title('信噪比性能曲线')
xlabel('信噪比/(dB)');
ylabel('方差');
legend('标量阵','矢量阵');
set(h0,'Linewidth',2);
set(h1,'Linewidth',2);
grid on;
figure
subplot(2,1,1);
h=plot(angle,Pmusic);
title('标量阵music估计')
set(h,'Linewidth',2);
xlabel('入射角/(°)');
ylabel('空间谱/(dB)');
set(gca, 'XTick',[-90:30:90]);
grid on;
subplot(2,1,2);
h=plot(angle,Pmusics);
title('矢量阵music估计')
set(h,'Linewidth',2);
xlabel('入射角/(°)');
ylabel('空间谱/(dB)');
set(gca, 'XTick',[-90:30:90]);
grid on;