学习聚束分析(一)
聚束分析技术(Bartlett 聚束成形器)虽然稳定性和稳健性很好,但分辨率较差。Schmidt 提出了一种称为多信号分类 (MUSIC) 的新聚束分析算法,用于在保持波束形成器稳定性的同时解决分辨率问题 (Schmidt, 1986)。这里我们学习 MUSIC 算法,并给出一些Python代码来展示该技术的工作原理。
假设一个信号为$u(t)$则傅里叶频谱为$U(\omega)$, $N$ 个接收器的向量为,
$$ \vec{u}(\omega) = [U_{1}(\omega), U_{2}(\omega), \cdots, U_{N}(\omega)]^T \tag{1} $$
互相关矩阵由下式给出,
$$ \bar{C}(\omega) = \frac{1}{N}\vec{u}(\omega) \vec{u}^H(\omega) \tag{2} $$
式中$H$表示Hermitian转置算符。互相关矩阵$\bar{C}(\omega)$通常受到非相干信号及仪器产生的噪声干扰。因此该矩阵包括相干信号和噪声。对$\bar{C}(\omega)$进行特征值分解获得,
$$ \bar{C}(\omega) = \bar{E}(\omega) \bar{\Lambda}(\omega) \bar{E}^{-1}(\omega) \tag{3} $$
式中$\bar{E}(\omega)$由$N$个特征向量$\vec{e}_{i} $ 组成,
$$ \bar{E}(\omega) = [\vec{e}_1, \vec{e}_2, \cdots, \vec{e}_N] \tag{4} $$
$\bar{\Lambda}(\omega)$ 是对角矩阵,对角元素$\lambda_{i}$是$\bar{C}(\omega)$的特征值,
$$ \bar{\Lambda}(\omega) = diag { \lambda_{1}, \lambda_{2}, \cdots, \lambda_{N} } \tag{5} $$
最大的特征值表示相干信号(可能有多个相干信号),左边的特征值及其特征向量被噪声占据,这意味着这些噪声是正交的。在这里,我们使用噪声的特征向量构造一个新矩阵
$$ \bar{N}_e(\omega) = [\vec{e}_1, \vec{e}2, \cdots, \vec{e}{ne}] [\vec{e}_1, \vec{e}2, \cdots, \vec{e}{ne}]^H \tag{6} $$
Barlett聚束器从
$$ P(\omega) = \vec{a}(\omega) \bar{C}(\omega) \vec{a}^H(\omega) \tag{7} $$
变为,
$$ P(\omega) =\frac{1}{ \vec{a}(\omega) \bar{N}_e(\omega) \vec{a}^H(\omega) } \tag{8} $$
式中 $\vec{a}(\omega)$ 表示转向向量 $\vec{a}_n=e^{-i\omega \Delta t_n}$。 当我们将转向向量投影到噪声特征向量跨越的噪声矩阵子空间时, 公式$(8)$的分母项将为零。在这种情况下 $P(\omega)$ 将取极大值。$\Delta t_n$ 是时间延迟,其形式为,
$$ \Delta t_{n} = \vec{s} \cdot \vec{r}_n \tag{9} $$
式中$\vec{s}=s[-sin\theta, -cos\theta]^T$ 和 $\vec{r}_{n}$ 是慢度和位置矢量,其中接收器的反方位角为$\theta$。$\vec{r}_s$ 和 $v$ 是源位置向量和传播速度。
MUSIC 算法在分辨率上优于 Bartlett 波束成形器。然而,与 MUSIC 相比,Bartlett 波束成形器具有更好的稳定性。以下是两种算法的python脚本示例。
1 | import numpy as np |
1 | # Number of receivers |
参考文献:
Schmidt, R.O, “Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation,” IEEE Trans. Antennas Propagation, Vol. AP-34 (March 1986), pp. 276–280.