一种面向相位失配和脉冲噪声的RIS辅助的移动信源角度-多普勒联合估计方法

本发明属于信号处理与无线感知，具体涉及一种面向相位失配和脉冲噪声的ris辅助的移动信源角度-多普勒联合估计方法。

背景技术：

1、随着无线通信技术的快速发展，移动信源的波达方向与运动状态获取受到越来越多的关注。波达方向能够反映信源相对于接收端或感知节点的空间方位，多普勒频率能够反映信源与感知节点之间的相对径向运动，二者的联合估计可为目标跟踪、波束管理、位置预测和通信感知一体化提供基础信息。传统角度和多普勒估计通常依赖多天线阵列、多通道射频接收链路或固定阵列孔径，通过阵元间的相位差及多快拍的信号变化提取参数。在直达链路受遮挡、接收端布设空间受限或硬件成本受约束的场景中，往往难以兼顾覆盖范围、估计精度和系统复杂度。可重构智能表面（reconfigurable intelligent surface,ris），由多个可调反射单元组成，可通过改变各反射单元的相位状态对传播信号进行可控反射。利用 ris 在多个时隙切换不同反射状态，仅通过单接收通道就能够获得具有不同空间编码特征的观测数据，从而为直达链路受阻、硬件资源受限的角度和多普勒参数估计提供新的实现条件。现有 ris 辅助估计方法中，部分方法采用预先离散的角度、多普勒搜索网格进行匹配或稀疏重构，参数真实值位于网格点之间时容易产生栅格失配。部分方法仅针对静止信源或单一角度参数进行处理，难以适应移动信源角度变化与多普勒相位演化相互耦合的观测场景。

2、在实际 ris 部署和运行过程中，反射单元还会受到制造公差、器件老化、控制电路误差、温度变化及外部环境扰动等因素影响，使部分单元的实际反射相位偏离预设相位，造成观测模型与实际传播过程不一致。若未能及时识别和校准这种相位失配，可能导致信源空间响应失真、参数匹配偏差，降低多目标分辨能力。同时，移动通信环境中可能存在突发电磁干扰、邻近强信号泄漏、设备开关瞬态辐射等非平稳扰动，此类扰动通常只影响少量观测时隙，但其幅度可能明显高于常规热噪声。现有基于最小二乘准则的参数估计方法容易受到该类异常观测的主导，进而使角度、多普勒频率及相位失配参数的估计结果发生偏移。另一方面，现有技术中常将移动信源参数估计与 ris 相位失配校准分开进行，未充分考虑二者在观测模型中的耦合关系，难以在相位失配和脉冲噪声同时存在时保持稳定估计。因此，有必要研究一种能够面向实际 ris 相位失配和脉冲噪声环境，对移动信源角度与多普勒参数进行联合估计的技术方案。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术的不足，提出一种面向相位失配和脉冲噪声的ris辅助的移动信源角度-多普勒联合估计方法。该方法利用lawson损失构建鲁棒的加权二次代理函数，在连续角度-多普勒域中执行原子追踪，并通过稀疏校准交替更新ris相位失配，以实现移动信源二维到达角、多普勒频率和ris相位失配的联合估计，具有鲁棒性强、计算速度快的优点。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种面向相位失配和脉冲噪声的ris辅助的移动信源角度-多普勒联合估计方法，包括以下步骤：

4、s1.获取接收端在多个时隙内的观测信号，根据所述观测信号建立包含二维到达角、多普勒相位演化和ris相位失配的观测模型；

5、s2.根据所述观测模型重构预测信号，并根据实际观测信号与所述预测信号确定当前观测残差，然后基于所述当前观测残差构建lawson鲁棒损失函数，并根据所述lawson鲁棒损失函数计算相应加权系数；

6、s3.根据所述加权系数执行加权原子追踪，经粗网格筛选和局部细化选取信源原子，并根据选取的所述信源原子采用加权最小二乘更新信源复幅度和残差；

7、s4.根据估计的所述信源原子的参数重构ris入射信号，并根据重构的所述ris入射信号建立关于ris相位失配向量的稀疏重构问题；

8、s5.根据所述稀疏重构问题估计稀疏相位失配向量，并根据估计的所述稀疏相位失配向量依次进行失配单元支撑集识别、加权最小二乘去偏和单位模投影；

9、s6.根据更新后的相位失配重新计算残差和lawson权重，重复执行s3至s5，直至满足预设收敛条件，输出各移动信源的俯仰角、方位角、多普勒频率和ris相位失配估计结果。

10、优选的，所述s1包括：

11、s11.获取多个移动远场窄带信源经ris反射后由单通道全向接收机在连续多个时隙内接收的观测信号，其中，所述ris由多个反射单元构成均匀平面阵列，在各时隙内对所述ris的各反射单元施加不同的相位控制状态；

12、s12.根据各所述移动远场窄带信源的俯仰角、方位角、多普勒频率和等效复幅度构建各所述移动远场窄带信源经ris反射后的空间响应和多普勒相位演化；

13、s13.根据所述ris的部分反射单元的实际反射相位偏离设定相位的偏差构建稀疏的ris相位失配向量；

14、s14.将所述空间响应、所述多普勒相位演化、各时隙的相位控制状态、所述ris相位失配向量和接收噪声共同构成所述观测模型。

15、优选的，所述s2包括：

16、s21.根据所述观测模型重构预测信号，将所述预测信号与实际观测信号的差值确定为当前观测残差；

17、s22.根据所述当前观测残差采用lawson鲁棒损失函数衡量残差代价；

18、s23.根据所述lawson鲁棒损失函数的一阶泰勒展开得到加权代理函数，并根据各时隙残差的大小计算自适应权重，得到所述加权系数。

19、优选的，所述s3包括：

20、s31.在连续的俯仰角、方位角和多普勒频率参数域内构建候选原子，在粗搜索网格上计算各所述候选原子与当前残差之间的加权匹配得分，并根据所述加权匹配得分保留候选位置；

21、s32.在保留的所述候选位置的局部邻域内逐步缩小搜索范围和搜索步长，获得精确的连续角度和多普勒参数；

22、s33.将选取的所述信源原子加入信源支撑集，并根据所述信源支撑集采用加权最小二乘方式联合更新各已选信源原子的复幅度；

23、s34.根据更新后的重构信号计算新的残差，重复s31-s33直至获得与各移动信源对应的信源原子参数。

24、优选的，所述s4包括：

25、s41.根据所述已选信源原子的俯仰角、方位角、多普勒频率和复幅度，重构每个时隙到达ris各反射单元的入射信号；

26、s42.将各反射单元在各时隙的相位控制状态与对应的入射信号分量组合，形成ris相位失配感知矩阵；

27、s43.根据忽略ris相位失配条件下的预测接收信号与实际观测信号之间的差值确定相位失配残差；

28、s44.根据所述相位失配残差、所述ris相位失配感知矩阵和稀疏性约束构建所述ris相位失配向量的稀疏重构问题。

29、优选的，所述s5包括：

30、s51.采用复值快速迭代收缩阈值算法求解所述ris相位失配向量稀疏重构问题，获得ris相位失配向量的临时估计；

31、s52.根据各反射单元的所述临时估计的模值识别发生相位失配的反射单元，形成失配单元支撑集；

32、s53.在识别出的所述失配单元支撑集上采用加权最小二乘方法进行去偏处理；

33、s54.将去偏后的结果投影到相位型反射误差对应的物理可行集合中。

34、优选的，所述s6包括：

35、s61.将当前获得的ris相位失配估计代入观测模型，重新构造候选原子和重构接收信号，计算新的观测残差；

36、s62.根据所述新的残差更新lawson鲁棒损失函数的权重；

37、s63.以更新后的所述权重重复执行信源原子追踪、ris入射信号重构和稀疏相位失配校准过程；

38、s64.当相邻两次迭代的目标函数变化量小于预设阈值或迭代次数达到最大次数时停止迭代，输出各移动信源的俯仰角、方位角、多普勒频率及ris相位失配估计结果。

39、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

40、（1）采用 lawson 鲁棒损失对观测残差进行自适应加权，可降低脉冲噪声和大幅异常观测的影响，使本方法在低信噪比及脉冲噪声干扰下仍具有较好的估计稳定性。

41、（2）在连续角度-多普勒域选择和细化原子，避免由固定搜索网格引起的参数失配和分辨率受限问题，实现移动信源角度与多普勒频率的高分辨率联合估计。

42、（3）将信源参数估计与 ris相位失配校准进行协同迭代，利用当前重构的入射信号识别并补偿失配单元，减小相位误差造成的空间响应失真和虚假峰值；四是利用时变ris 编码构造多时隙观测，在单接收通道条件下完成联合感知，降低了接收链路的硬件复杂度。