宽带射频源的DOA估计，应用场景广泛

射频信号是一种带有信息并且在无线通信系统的发射端和接收端进行传播的电磁波。射频信号的频谱非常广，根据不同的应用又被分为若干个不同的子频带，如移动通信、卫星、地震勘测、警用和军用等。通信系统的目的就是用最小的错误传递最大的信息。

近来，现代通信系统的容量和服务用户的数量迅速增加。一些手机基础设施已达到其服务用户数量的100％以上的容量。为了使通信系统能够处理这种不断增长的需求，需要更加智能的解决方案。当今其中一个最为广泛应用的技术即为多天线收发技术。

天线可以将发射端的电磁信号从发射端传输至如空气等传输媒介中，接收端天线可以将在传输媒介中传播的信号传输至接收端。许多通信系统已部署一根天线，在尺寸和整体增益方面已达到极限。多天线的设计能够满足需求，同时提高了系统性能，达到了更高的增益和更强的方向性。

本文研究了在接收侧的天线或放射性传感器元件阵列，它们在通信和雷达系统中均具有显着的优势。在阵列处理领域，由于计算处理器和数字信号处理方面的发展，使得对接收到的数据进行许多处理成为可能。阵列处理获得了许多关注，并且已有诸多应用，如雷达、移动通信、声学、航空航天和卫星通信。DOA估计是阵列处理领域的核心问题，已经广泛存在于各个领域。

DOA估计方法试图通过传感器阵列的接收到准确数量的噪声信号估计噪声源的角度方位。这种方法对于恢复有用信号并抑制噪声和其他干扰信号是非常有用的。同时，通过估计信号源角度来估计其方位这种思想已经广泛用于移动通信、卫星、地震勘测、军事监测。DOA估计的思想就是运用传感器所接收到的各类信号判断出想要的信号源的方位。

信号处理是为了将信号在媒介中传输的损耗降为最低而做的工作。这还涉及从周围媒体接收信号并从中获取多种信息，例如信号的波达信息。阵列信号处理是一个专注于处理由辐射传感器阵列感应或接收到的信号的领域。传感器阵列用于测量传播的波场并将场能转换为电能。假定波场具有有关信号源的信息，因此将其采样到数据集中以进行处理以从中提取尽可能多的信息。尽管使用不同类型的算法对信号进行处理可以确定信号源的数量，对其进行定位并重构信号本身，但也可以通过多快拍来获得高分辨率的信号。

阵列信号处理是一个检测和估计问题。由于能够克服单个天线的分集，波束宽度和波束成形方面的限制，使用传感器元件阵列检测多个信号一直是数十年来的一个有吸引力的研究课题。估计问题是阵列信号处理的核心，通常在信号处理中，试图找出一些参数的值，这些参数被估计为最接近真实值的值，例如波达角度，信号的数量。

雷达

雷达系统的基本工作是根据简单的电磁系统检测和定位物体。以预定频率发射的信号，其撞击物体并分散到多个方向。这些反射射线之一沿雷达方向返回，由接收天线检测，然后将其传送到接收器。从中提取的最重要的参数是雷达与物体位置之间的距离。其他参数包括目标物体的存在，确切位置（到达方向和范围），相对速度以及其他与目标有关的特征。

传统雷达系统中使用一根天线的雷达可以检测到多个目标之间的大角度间隔。一旦信号源太近或噪声在空间上变色，雷达就无法以最佳方式检测和处理接收到的信号。另一方面，使用阵列信号处理可提供更大的灵活性和更高的容量，以克服常规雷达系统的局限性。

相控阵雷达是最近的发展之一，由于其控制波束位置的能力而获得了许多研究，该波束位置提供了更大的自由角来将波束定向到整个搜索区域。通信系统和数字信号处理（DSP）技术的最新进展使实现数字相控阵雷达成为可能，并为波束形成器和接收信号的采样数据的处理提供了更高级的架构。在数字相控阵列中，可以将阵列的权重更改为与信号相关的参数，以克服干扰。

声纳

声波在水上的传播比在空气上的传播要好，并且在远距离上的传播速度更快，衰减更少。声纳技术类似于雷达技术，都用于物体的检测和定位以及确定物体特性。声纳与雷达之间的区别在于，声纳用于水下并且使用声波代替雷达系统中使用的电磁波。

阵列信号处理应用于声纳系统，并提供许多好处，可以改善声纳阵列的分辨率以估算目标的DOA。设计了几种阵列几何形状以满足恶劣的水下环境特征。另一个改进是将DSP集成到阵列声纳技术中，该技术引入了各种方法和技术，这些方法和技术对能提高估计目标的波达角的精确度。

地震监测

地震通常伴随着称为地震波的波辐射，这些波在地球中传播。研究这些波可以提高我们对地球构造和地震潜在物理学的了解，这有助于预判并避免对人口稠密地区的破坏性影响。地震学还涉及对估计和检测地震波的仪器和物理的改进，这些地震和地震波提供了有关地球内层以及开始的地理位置和地震中心的信息。上个世纪以来，人们进行了许多研究，如今，许多地震台站遍布灾区，这有助于及早发现地震并提醒周围的城市和人口稠密的地区。

DOA估计也用于检测和定位土层，例如 通过接收自然或爆炸产生的弹性波来获得石油和天然气，并提取下层的相关参数和几个储层的浓度。不同方面正在影响使用地震阵列的DOA估计，包括传感器本身的几何形状和地震波的性质，这可能会导致估计误差。地震通常是一系列事件，需要高度灵敏和快速的检测，因此要使用多个地震台，并且要想获得紧密相似的波形，这些站点的协作需要更有效的估算技术。由于区域站点的不同结果被认为是微不足道的，因此相邻站点之间的微小差异导致对地震的检测和估计产生歧义。

DOA估计在每个领域所表现的不同属性导致需要结合实际进行了一些详细的深入研究，以适合不同的场景，并提出一种改进的方法，并且可能是每种不同应用的独特解决方案。

航天

天文学包括对地球以外的物体的研究以及该物体的基础物理学及其之间的相互作用的研究，以便更好地了解我们的宇宙，基本物理学的性质以及对我们有贡献的其他星系和恒星的起源以及关于人类历史和整个宇宙的知识。这项研究是通过对地面站和邻近区域（例如，地球站）的航空电磁频谱的观察来完成的，如卫星和航天飞机飞行任务。

望远镜是一种接收输入信号并从中提取信息的仪器。望远镜是几乎所有天体物理学知识的基本资源。使用不同类型的焦点系统分析几个频带例如，X射线。尽管有很多研究兴趣致力于开发更好的仪器，这些仪器具有更高的灵敏性和极低的噪声技术和算法来提取与恒星相关的特性，但撞击信号正遭受着低能量和不同种类的噪声的困扰例如撞击速度、到达方向和极化。

移动通信

使用移动设备在不同位置的用户之间的远程连接（包括语音对话，文本和多媒体以及网络数据交换）称为移动通信。移动通信系统已经经历了许多重大发展，从模拟到数字，从向少数用户提供语音对话和文本消息服务到向人口稠密地区提供服务等等。互联网和视频游戏仍然吸引着研究人员的兴趣。根据覆盖区域和比特率，引入了几种蜂窝系统。如地面移动网络，移动卫星。任何移动通信系统的基本工作是保持与移动站（MS）的连接，无论它们是活动的还是不活动的，并根据需要提供服务，并满足不同类型服务的最低要求。

对移动通信服务的高度增长的需求，例如更多的容量，更高的数据速率和较低的延迟增加了对新产品的需求。阵列信号处理被移动通信系统使用，其有助于定位和跟踪信号强度在功率和信噪比（SNR）上变化的MS。依赖于阵列处理的自适应波束形成器技术用于增强下行链路信号功率，并在服务用户的方向上最大化SNR，同时通过在其源方向上使波束为零来消除周围的干扰和干扰。DOA估计还用于卫星通信系统中，以确定通信卫星的姿态，以朝着所需方向调整波束形成，从而使信号功率最大化，并在卫星和地面站之间保持良好的数据链路。使用不同类型的传感器来确定包含姿态信息的信号的到达方向。

军事警戒

实时定位和跟踪移动和静止的多个目标是DOA估计技术在军事侦察和监视中的最大用途。雷达和声纳系统是本节先前提到的系统。此类系统中的射频干扰（RFI）是由周围的通信系统无意中引起的，并且是由军事干扰故意造成的。不仅要反复估算目标的DOA，还要识别DOA信息并将其与它们的来源相关联，从而导致各种数据关联技术。

监视和侦察系统包括各种信息收集和处理子系统，例如无线传感器网络和有人值班监视系统，可以辅助决策者进行评估以做出最好的决策。这些系统在无人领域还可以有更广阔的应用，如无人机，无人运动探测器。

毫米波雷达，存在感应雷达模块，测量人体呼吸心跳的原理及应用

毫米波雷达，是工作在毫米波波段探测的雷达。通常毫米波是指30~300GHz频域(波长为1~10mm)。毫米波的波长介于厘米波和光波之间，因此毫米波兼有微波制导和光电制导的优点。

与光波相比，毫米波雷达利用大气窗口(毫米波与亚毫米波在大气中传播时，由于气体分子谐振吸收所致的某些衰减为极小值的频率)传播时的衰减小，受自然光和热辐射源影响小。

因此毫米波雷达在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学和波谱学方面都有重大的意义。利用毫米波天线的窄波束和低旁瓣性能可实现低仰角精密跟踪雷达和成像雷达。

1、在天线口径相同的情况下，毫米波雷达有更窄的波束(一般为毫弧度量级)，可提高雷达的角分辨能力和测角精度，并且有利于抗电子干扰、杂波干扰和多径反射干扰等。

2、由于工作频率高，可能得到大的信号带宽(如吉赫量级)和多普勒频移，有利于提高距离和速度的测量精度和分辨能力并能分析目标特征。

雷达测量人体呼吸心跳的原理为：呼吸和心跳等人体活动会引起胸腔的起伏，进而引起雷达与被测人体之间的径向距离的变化。通过测量该径向距离的变化，可提取人体呼吸心跳信号。

雷达的人体呼吸心跳检测对于医疗监护、火灾和地震等灾后救援、家居健康监测具有重要意义。相比于单目标呼吸心跳检测，多目标呼吸心跳检测的难点在于多目标的区分。

根据多目标区分域的不同，当前研究可分为三类：距离维区分方法、方位向区分方法、信号域区分方法。

距离维多目标区分方法是根据目标径向距离不同进行区分，是最直接最常见的方法，该方法的优势为多目标信号分离结果好，信号处理流程较为简单。

劣势在于为了获得较高的距离分辨率，对雷达系统带宽要求较高；当多目标位于同一距离单元时，无法进行区分。

方位向多目标区分方法是根据目标相对雷达方位角不同进行区分。该方法的优势是可区分同一距离单元的多目标，但要求雷达使用阵列天线，并且需要研究相应的波达方向（DOA）估计方法和数字波束形成（DBF）方法。

信号域多目标区分方法是根据多目标呼吸心跳信号的差异性进行区分。该方法的优势是可区分同一距离单元同一方位角的多目标，但要求多目标呼吸心跳信号具有较为明显的差异，且要求多目标在同一距离单元处。

毫米波雷达工作频率在30GHz到300GHz之间；带宽较宽，可达数GHz，因而具有更高的距离分辨率。以雷达带宽为3GHz为例，则其距离分辨率为5cm。高距离分辨率使得在距离维对多目标进行区分成为一种可行的方案。

以家居环境为例，多人呼吸监测的两个难点是：

1）当两/多个人体目标与雷达处在同一直线时，雷达只能测得距离最近的人体目标的胸腔起伏信息；

2）背景杂3波干扰。在家居环境中，存在诸多体积较大的物体，掩盖了人体胸腔回波信号。

这就可应用到飞睿科技5.8G存在感应雷达模组了，该系列是工作在5.8GHz±75MHz频段，集成高性能32位MCU，单芯片直接输出感应控制信号,真正的SoC。性能强大，可做丰富算法，拓展性强，适合高性能要求的场景。

支持标准UART接口，可与其他主控或传感器互联互通，也可作为主控使用，可基于人体呼吸的探测，实现存在感应。

产品特点

FR58L4M32-2020S

➢ 工作频率：5.8Ghz±75MHz

➢ 供电电压：4.5~5.5V

➢ 正向极限距离可达30米

➢ 搭载32位MCU

➢ 抗干扰能力强，支持密集分布

➢ 基于探测人体呼吸，实现存在感应

➢ 符合FCC/CE/SRRC等无线认证标准

➢ 工业级，支持高低温（-40°-85°）可靠性测试

➢ 集成中频处理与滤波

➢ 灵活多样的管角接口

➢ 针对性核心算法协议

➢ 支持距离调节

➢ 支持光敏（可选）。

根据毫米波雷达的特点，它容易满足以下的应用需求：

1、高精度多维搜索测量：进行高精度距离、方位、频率和空间位置的测量定位；

2、雷达安装平台有体积、重量、振动和其它环境的严格要求：毫米波雷达天线尺寸小、重量轻，容易满足便携、弹载、车载、机载和星载等不同平台的特殊环境要求；

3、目标特征提取和分类识别：毫米波雷达高分辨力、宽工作频带、大数值的多普勒频率响应、短的波长易获得目标细节特征和清晰轮廓成像等特点，适于目标分类和识别的重要战术要求；

4、小目标和近距离探测：毫米波短波长对应的光学区尺寸较小，相对微波雷达更适于小目标探测。除特殊的空间目标观测等远程毫米波雷达外，一般毫米波雷达适用于30km以下的近距离探测。

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