DOA Estimation Based on Multi-scale Attention-Enhanced Deep Residual Network

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2026.04.015

Abstract

Abstract:

DOA estimation is the core task in array signal processing. Traditional methods perform well under high signal-to-noise ratio （SNR） and ideal conditions but exhibit significant performance degradation and reliance on prior information in non-ideal scenarios such as low SNR and limited snapshot counts. To address these issues， this paper directly utilized the in-phase （I） and quadrature （Q） component matrices of raw echo signals as inputs and proposed an end-to-end method based on multi-scale attention enhancement. The network combined double attention residual blocks and a global attention mechanism， dynamically calibrated channel and spatial weights， and enhanced the focus capability on critical features. Simulation results indicate that under the extreme conditions of an SNR as low as -5 dB and a snapshot count of only 10， the root mean square error （RMSE） and angle estimation error range of the proposed method are significantly lower than those of traditional algorithms （MUSIC， ESPRIT， MVDR， and DNN）， which verifies its robustness and high precision advantages in complex scenarios.

Key words: direction of arrival estimation, deep learning, attention mechanism, residual network, limited snapshot number

摘要：

DOA估计是阵列信号处理的核心任务，传统方法在高信噪比与理想条件下表现良好，而在低信噪比(SNR)、有限快拍数等非理想场景中存在性能显著下降、依赖先验信息等问题。为此，直接利用原始回波信号的同相(I)和正交(Q)分量矩阵作为输入，提出了一种基于多尺度注意力增强的端到端的方法。该网络结合双注意力残差块和全局注意力机制，动态校准通道与空间权重，增强对关键特征的聚焦能力。仿真结果表明，在信噪比低至-5 dB且快拍数仅为10的极端条件下，所提方法的均方根误差(RMSE)显著低于传统算法(MUSIC，ESPRIT，MVDR，DNN)，验证了其在复杂场景下的鲁棒性与高精度优势。

关键词: 波达方向估计, 深度学习, 注意力机制, 残差网络, 有限快拍数

CLC Number:

TN911.23

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Figures/Tables 16

Fig. 1 Schematic diagram of network structure

Fig. 2 Schematic diagram of multi-scale feature fusion module structure

Fig. 3 Feature maps of multi-scale convolutional blocks

Fig. 4 Schematic diagram of double attention residual block structure

Table 1 Parameters of residual layers

阶段	输入维度	输出维度	残差块数量	下采样方式	通道扩展比例
Layer1	（B，72，L）	（B，128，L/2）	3	最大池化（stride=2）	72 → 128
Layer2	（B，128，L/2）	（B，256，L/4）	4	步幅卷积（stride=2）	128 → 256
Layer3	（B，256，L/4）	（B，512，L/8）	6	步幅卷积（stride=2）	256 → 512
Layer4	（B，512，L/8）	（B，1024，L/16）	3	步幅卷积（stride=2）	512 → 1024

Fig. 5 Schematic diagram of convolutional attention module structure

Table 2 Training parameters of MSEDR network

使用余弦退火算法进行自适应调节，初始学习率设置为0.1

优化器

参数量

GPU推理速度

AdamW

67.2 M

18.2帧/s

Fig. 6 Diagram of experimental scene

Table 3 Experimental results of single-target DOA estimatio

算法	RMSE/（°）	误差分布范围/（°）
MUSIC	3.3	［-3.5，2.0］
ESPRIT	3.5	［-4.3，4.1］
MVDR	8.3	［-8.0，10.3］
DNN	3.8	［-5.0，6.5］
MSEDR	1.1	［-1.3，1.0］

Table 4 Experimental results of dual-target DOA estimation

算法	平均RMSE/（°）	误差分布范围/（°）
MVDR	18.5	［-30.0，30.0］
MUSIC	7.7	［-10.0， 10.0］
ESPRIT	5.2	［-8.0， 8.0］
DNN	3.5	［-5.2，7.4］
MSEDR	0.7	［-1.5，1.0］

Fig. 7 Partial experimental results of single-target DOA estimation

Fig. 8 Partial experimental results of dual-target DOA estimation

Fig. 9 Experimental results of DOA estimation under different signal-to-noise ratios （single target）

Fig. 10 Experimental results of DOA estimation under different signal-to-noise ratios （dual targets）

Fig. 11 Ablation experimental results of DOA estimation under different signal-to-noise ratios （dual targets）

Fig. 12 Experimental results of DOA resolution detection

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