[發(fā)明專利]基于雙層混合陣列的波達方向角估計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610980693.4
• 申請日: 2016-11-08
• 公開（公告）號: CN106569171B
• 公開（公告）日: 2018-11-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蔡晶晶;宗汝;宋思達;李鵬;趙晗希
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號: G01S3/12
• 分類號: G01S3/12
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 王品華

本發(fā)明公開了一種基于雙層混合陣列的波達方向角估計方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)運算量大，識別信源數(shù)目少和估計誤差大的問題，其實現(xiàn)步驟是：1)分別構(gòu)建一層互質(zhì)陣列和二層嵌套陣列；2)獲取一層互質(zhì)陣列的輸出信號和二層嵌套陣列的輸出信號；3)根據(jù)一層互質(zhì)陣列輸出信號與二層嵌套陣列輸出信號計算所有四階累量，形成四階累量向量；4)根據(jù)四階累量向量構(gòu)造超完備基，并定義空域稀疏向量；5)將探測空域波達方向角估計轉(zhuǎn)化為求解稀疏約束方程；6)利用凸優(yōu)化方法，得到空域稀疏向量的最稀疏解；7)根據(jù)最稀疏解繪制幅度譜圖，得到波達方向角。本發(fā)明在陣元數(shù)量有限的情況下大大提高了陣列可識別的信源數(shù)目，適用于目標(biāo)偵察和無源定位。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于信號處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電磁信號的陣列信號波達方向角估計方法，可用于對飛機、艦船運動目標(biāo)的偵察與無源定位。

背景技術(shù)

信號的波達方向角DOA估計是陣列信號處理領(lǐng)域的一個重要分支，它是指利用天線陣列對空間聲學(xué)信號、電磁信號進行感應(yīng)接收，再運用現(xiàn)代信號處理方法快速準(zhǔn)確的估計出信號源的方向，在雷達、聲納、無線通信等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。隨著科技的不斷進步，對陣列在進行信號波達方向估計時達到的自由度也有越來越高的要求。

針對該問題的研究中，出現(xiàn)較早、應(yīng)用較為廣泛的是多重信號分類MUSIC子空間的模型，對于一個L陣元的典型線性均勻陣列，傳統(tǒng)的MUSIC類計算方法可檢測的信源數(shù)目是L-1個。這些算法采用典型的線性均勻陣列，造成估計的信號數(shù)目低于陣元數(shù)目，目標(biāo)個數(shù)很多時甚至無法識別，導(dǎo)致目標(biāo)捕獲失敗。為了能夠在陣元數(shù)量較少情況下獲得盡量大的角度自由度，檢測更多的信源，出現(xiàn)了嵌套陣列以及互質(zhì)陣列。嵌套陣列能夠使用M+N個陣元，生成2MN+2N-1個虛擬陣元，可檢測MN+N-1個信號?；ベ|(zhì)陣列能夠使用2M+N-1個陣元，生成2MN+2M-1個虛擬陣元，可檢測MN+M-1個信號。

基于這種信號檢測效率較高的互質(zhì)陣列，出現(xiàn)了進一步提高虛擬陣元個數(shù)的基于四階累量方法，可使信號估計數(shù)量得到較大提升。Qing Shen等人在其發(fā)表的論文“Extension of co-prime arrays based on the fourth-order difference co-arrayconcept”(《IEEE signal processing letters》,VOL 23,NO.5,May 2016)公開了一種基于四階累量的互質(zhì)陣列DOA估計方法，該方法使用2M+N-1+P個陣元，生成2(4MNP+3MN+2MP-NP+M-N+P)-1個虛擬陣元，可檢測4MNP+3MN+2MP-NP+M-N+P-1個信號。但該方法相當(dāng)于用一個均勻陣列對互質(zhì)陣列進行陣列擴展，沒有合理設(shè)置陣元位置而不能使陣元達到最大利用率。在實際應(yīng)用中，如果給定了一定數(shù)量的陣元，卻不能合理利用這些陣元獲得足夠多的虛擬陣元，就不能估計足夠多的信號，造成偵察和定位資源的浪費和因角度估計誤差引起的目標(biāo)偵察失誤。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種基于雙層混合陣列的波達方向角估計方法，用一個嵌套陣列對互質(zhì)陣列進行陣列擴展，在陣元數(shù)量一定的情況下，提高了可估計信號的數(shù)量，避免了不合理利用陣元造成的資源浪費和因角度估計誤差引起的目標(biāo)偵察失誤。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實現(xiàn)步驟包括如下：

(1)利用天線接收機形成一層互質(zhì)陣列，并獲取虛擬陣元數(shù)：

(1a)定義每個天線接收機為一個陣元，用N個天線接收機形成第一均勻線性陣列a，其陣元間距為Md；用2M-1個天線接收機形成第二均勻線性陣列b，其陣元間距為Nd；定義第一均勻線性陣列a的第一個陣元為起始陣元，其中，N>M≥2且M與N互質(zhì)，0<d≤λ/2，λ為入射到陣列的窄帶信號波長；

(1b)將第一均勻線性陣列a與第二均勻線性陣列b組合為一層互質(zhì)陣列：