[發明專利]基于嵌套式子陣陣列的波達方向估計方法

有效

• 申請號: 201610236372.3
• 申請日: 2016-04-15
• 公開（公告）號: CN105824002B
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 楊明磊;陳伯孝;孫磊;曾小路
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G01S3/14
• 分類號: G01S3/14
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心61205
• 代理人: 王品華,朱紅星

本發明屬于信號處理技術領域，特別涉及一種非等距線陣配置方法，用于估計目標個數大于陣元數情況下的波達方向，提高陣列的自由度、測角精度和密度。

背景技術

波達方向DOA估計是雷達、聲納信號處理中的一個重要研究方向。對于一個具有S個陣元的均勻線性陣列，采用傳統的波達方向估計方法，如MUSIC，ESPRIT等所能分辨的最大目標個數為S-1個。而欠定波達方向估計問題，即目標個數大于陣元數的DOA估計經常出現并引起廣泛的研究興趣。解決該問題的一種有效方法是利用一個等效的虛擬陣列來提高波達方向估計的自由度DOF，該虛擬陣列是通過對一個特殊設計的陣列接收信號的協方差矩陣向量化來構造的。最近提出的嵌套式陣列NA和互質陣列CA就是利用稀疏陣的差分合成陣列來提高自由度的。而通過實際研究表明,最小冗余陣列MRA通過有效的陣元結構配置，可以獲得最大的自由度DOF。在給定陣元數S及虛擬陣列為均勻線性陣列的情況下，最小冗余陣列MRA可以獲得最大的陣列孔徑。然而，最小冗余陣列的陣元位置及能夠獲得的自由度都沒有明確的閉式解。雖然已有文獻，如美國H.L.Van Trees教授的Optimum array processing:part IV of detection,estimation,and modulation通過窮搜的方法獲得了陣元數小于等于17的最小冗余陣列，但卻沒有簡單的方法來預測更大的最小冗余陣列MRA。

相對于最小冗余陣列MRA復雜的陣列結構獲取過程，通過設計嵌套式陣列NA和互質陣列CA以獲取更高的自由度DOF則很容易。

嵌套式陣列NA結構的陣元位置具有閉式解，并且通過利用接收數據的二階統計信息，使用S個陣元就可以獲得O(S²)的自由度。嵌套式陣列是由兩個或多個具有不同陣元間隔的均勻線性子陣組成，它的缺點是第一個子陣的陣元間距通常較小，會引起陣元間的互耦問題。為此，P.P.Vaidyanathan等人后來提出的互質陣列CA可以通過增大陣元間距來減小陣元間的互耦問題。互質陣列是由兩個陣元數目分別是M、N的均勻線性子陣構成，其中M、N為互質的整數，它能夠獲得多于陣元數目的自由度，但是由它構造的虛擬陣列并不是一個完全填充的均勻線性陣列，即在某些位置上沒有虛擬陣元。通過利用虛擬陣列而不是原始陣列來進行DOA估計，這樣由互質陣列獲得的自由度就可以用來實現目標個數大于陣元數的DOA估計。但是在通過陣列接收信號的協方差矩陣構造虛擬陣列時，虛擬陣列中等效信源被實際信源的功率所替代，因此這些等效信源就表現為完全相干的信號。P.P.Vaidyanathan等提出采用一種基于空間平滑的MUSIC算法來解相干。然而由于基于空間平滑的估計算法一般只適用于均勻線陣，DOA估計時就只能利用互質陣列構造的虛擬陣列的一部分，這就會帶來自由度和陣列孔徑的降低。

然而，即便陣列結構擁有較高的自由度和陣列孔徑，還要考慮到陣列密度問題，較低的陣列密度會引起發射功率受限，這在實際工程中是不希望出現的。

綜上，現有的幾種陣列雖然均能獲得多于陣元數目的自由度，但都存在一定的局限，因此需要設計新的綜合性能更優的陣列。

發明內容

本發明的目的在于針對上述已有陣列的不足，提出一種嵌套式子陣陣列的配置方法以減少陣元間的互耦，形成完全填充的均勻線性虛擬陣列，并獲得較高的陣列密度、自由度和陣列孔徑，提高波達方向DOA的估計精度。

本發明的技術思路是:根據總陣元數選擇子陣數目及子陣內陣元數，利用現有文獻結果得到相應的子陣結構和子陣內陣元結構；通過計算子陣間的最優單元間距，構造嵌套式子陣陣列；計算嵌套式子陣陣列的虛擬陣列以獲得差分合成陣列，計算嵌套式子陣陣列的自由度；對差分合成陣列進行進行波達方向DOA估計。其實現方案包括如下：

1)構造嵌套式子陣陣列：

1a)給定總陣元數S，對S進行因式分解，得到子陣內陣元數目M及子陣數目N；

1b)根據子陣內陣元數目M，設計子陣內陣元結構，同時計算子陣內陣元的位置矢量u_M：

u_M＝[m₁,m₂,…,m_i,…,m_M]·d，

其中，m_i表示子陣內第i個陣元位置系數，1≤i≤M，且m₁＝0，d為入射信號的半波長；

1c)根據子陣數目N，設計子陣結構，同時計算N個子陣的陣位置矢量u_N：