[發(fā)明專利]一種用于非圓信號波達(dá)方向估計的三級擴(kuò)展變換嵌套陣設(shè)計方法

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• 申請日: 2020-09-07
• 公開（公告）號: CN112115595A
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王衛(wèi)江;任仕偉;王曉華
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G01S3/14
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本發(fā)明公開了一種用于非圓信號波達(dá)方向估計的三級擴(kuò)展變換嵌套陣設(shè)計方法。該方法首先交換了傳統(tǒng)嵌套陣兩個子陣的位置，使稀疏子陣在前，密集子陣在后。之后通過實(shí)施對密集子陣的稀疏化布局，使其虛擬和差陣具有大范圍連續(xù)段，進(jìn)而獲得自由度的提升，其實(shí)現(xiàn)步驟是：計算陣元間距基本單元，確定陣元數(shù)和陣元間隔參數(shù)，根據(jù)解析式確定陣元的物理位置。本發(fā)明可以在相同陣元數(shù)的條件下，有效增大虛擬和差陣的自由度，提高波達(dá)方向的估計精度，提高空間目標(biāo)探測能力，減少陣列運(yùn)行成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于陣列信號處理領(lǐng)域，涉及到一種適用于非圓信號波達(dá)方向估計的稀疏陣列優(yōu)化布局及設(shè)計方法，具體是一種基于嵌套陣的陣列孔徑擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，可用于生成高自由度的虛擬和差陣列。

背景技術(shù)

波達(dá)方向估計是陣列信號處理領(lǐng)域的一個重要課題，在雷達(dá)、聲吶、無線通信、導(dǎo)航等應(yīng)用中扮演了重要的角色。傳統(tǒng)的波達(dá)方向估計采用了均勻排布的傳感器陣列，傳感器間隔小于半波長。這種均勻排布方式，保證了信號的空間譜形式唯一，空間信息無混疊，并能通過譜函數(shù)唯一辨識空間探測目標(biāo)。然而，均勻線陣的可識別信源數(shù)受到了自由度的嚴(yán)重限制，一個N傳感器的均勻線陣最多只能識別N-1個信源。

為了解決信源數(shù)多于陣元數(shù)的欠定波達(dá)方向估計問題，使用了較少傳感器的非均勻線陣，也被稱作稀疏陣，被提出。稀疏陣通過對各陣元接收信號計算協(xié)方差，再對協(xié)方差矩陣進(jìn)行矢量化操作，獲得等效虛擬相控陣。其虛擬陣元位置位于實(shí)際陣元的差分位置處，如果能令虛擬差陣連續(xù)排布，就可以利用虛擬陣實(shí)現(xiàn)目標(biāo)方位估計。然而，之前的研究都是基于圓信號發(fā)展而來的。事實(shí)上，大量的非圓信號，如二進(jìn)制相移鍵控信號和脈沖振幅調(diào)制信號，都被廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中。非圓信號的一個重要特性是它的橢圓協(xié)方差矩陣不等于零。對橢圓協(xié)方差矩陣進(jìn)行矢量化操作，得到的虛擬陣陣元位置是實(shí)際陣元位置之和。因此，結(jié)合收到非圓信號的協(xié)方差與橢圓協(xié)方差矩陣，得到的虛擬陣將同時包含了差陣與和陣，虛擬陣元數(shù)相較于傳統(tǒng)差陣能夠提升一倍。對于非圓信號的欠定波達(dá)方向估計問題，一些新的稀疏陣被提出。例如，有和差虛擬陣的改進(jìn)嵌套陣通過同時移位傳統(tǒng)嵌套陣的稀疏子陣與密集子陣擴(kuò)大了虛擬陣孔徑，但是這個陣型需要在零點(diǎn)布置一個額外傳感器作為參考傳感器。變換嵌套陣基于降低和陣與差陣之間冗余的思想，交換了傳統(tǒng)嵌套陣兩個子陣的位置，進(jìn)一步提高了陣列自由度。但是，目前提出的這些稀疏陣列結(jié)構(gòu)，其自由度仍有很大的提升空間。因此，如何設(shè)計一種一維稀疏陣，使其虛擬和差陣具有高自由度(即更長連續(xù)段)，對于實(shí)際應(yīng)用有著重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種適用于非圓信號波達(dá)方向估計的稀疏陣列優(yōu)化布局及設(shè)計方法，在變換嵌套陣的基礎(chǔ)上，對其密集子陣進(jìn)行稀疏化處理。在具備相同數(shù)目的傳感器情況下，獲得比現(xiàn)有稀疏陣更大的虛擬和差陣、更高的陣列自由度和更強(qiáng)的空間目標(biāo)探測能力。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，它包括步驟如下：

(1)用d表示陣元間距的基本單元，將其取為半波長，即d＝λ/2；λ表示陣列入射信號的波長；

(2)根據(jù)陣列給定的總陣元數(shù)N，選取兩個正整數(shù)N₁和N₂作為陣列參數(shù)，滿足N＝N₁+N₂，其中N₁≥13,N₂≥1；

(3)將嵌套陣的稀疏子陣放在前，它的陣元間距為(N₁+1)d，陣元數(shù)為N₂，記為密集子陣在稀疏子陣之后，它的陣元間距為d，陣元數(shù)為N₁+1，記為兩個子陣共用位于(N₂-1)(N₁+1)d處的傳感器；

(4)將密集子陣的陣元分成三部分，第一部分為第二部分為第三部分為

(5)將第二部分向右平移(N₁+1)d，得到將第三部分向右平移2(N₁+1)d，得到與組成了一個新的密集子陣