[發明專利]基于時間調制的互質陣列系統及其DOA估計方法

在審

• 申請號: 202010935107.0
• 申請日: 2020-09-08
• 公開（公告）號: CN112182853A
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發明（設計）人: 繆晨;馬越;吳文;蔣夢杰;唐輝;倪培雙;章文韜;岳爽
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/16
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱炳斐

本發明公開了一種基于時間調制的互質陣列系統及其DOA估計方法。系統包括互質陣列，陣列通過射頻開關進行調制，陣列的輸出信號通過帶通濾波進行分離，獲得基波和諧波。方法包括構建時間調制互質陣列系統的信號模型，構建虛擬陣列；基于虛擬陣列進行DOA估計。通過將互質結構引入時間調制陣列，在得到低旁瓣的同時，系統可以獲得更多的虛擬陣元，從而有效擴展虛擬孔徑。由于虛擬孔徑的增加，一方面可以提升系統的DOA估計性能，另一方面可以被方便地形成寬度更窄的波束。相比于時間調制均勻線性陣列，本發明在陣元數目相同的情況下可以得到更窄的波束以及更好的DOA性能。

技術領域

本發明屬于陣列信號處理領域，特別涉及一種基于時間調制的互質陣列系統及其DOA估計方法。

背景技術

互質陣列是一種非均勻線性陣列，它由兩個陣元數目呈互質關系的子陣所構成。在進行DOA估計時，互質陣列由于自身的特性，可以得到更大的虛擬口徑，從而實現精度和分辨率更高的DOA估計。因此，互質陣列被廣泛研究，并利用到很多領域中。

時間調制陣列是一種采用時間作為變量控制陣列信號的新型陣列，通過射頻開關進行控制。相比于傳統相控陣，其靈活度更高，結構更簡單，目前吸引了大量研究。然而，基于時間調制陣列的研究目前還未涉及其虛擬孔徑的擴展。若將互質結構引入時間調制陣列，則可以進一步拓展陣列口徑，可以大大提升時間調制陣列的性能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于時間調制的互質陣列系統及其DOA估計方法。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種基于時間調制的互質陣列系統，所述系統包括互質陣列，陣列通過射頻開關進行調制，陣列的輸出信號通過帶通濾波進行分離，獲得基波和諧波。

進一步地，所述系統的陣列因子AF(θ,t)為：

其中，U_mn(t)為系統控制每個陣元開啟和關閉的時間函數，b_mn,h為U_mn(t)的傅里葉級數展開后的第(m,n)陣元h次諧波的傅里葉因子，

式中，h表示諧波級數，ω₀＝2πf₀為載頻信號的角頻率，f₀為載頻信號的頻率，k為波數，θ為信號方向，M和N分別為互質陣列中兩個子陣的數目，兩個子陣各自陣元的間距分別為Nd和Md，τ_mn,on和τ_mn,off分別為第(m,n)個陣元每個周期內的開啟、關閉時間，T_p為射頻開關的調制周期，F_p＝1/T_p為調制頻率，ω_p為調制信號的角頻率。

基于時間調制的互質陣列系統的DOA估計方法，所述方法包括以下步驟：

步驟1，構建時間調制互質陣列系統的信號模型；

步驟2，構建虛擬陣列；

步驟3，基于虛擬陣列進行DOA估計。

進一步地，步驟1所述構建時間調制互質陣列系統的信號模型，具體包括：

假設有L個遠場非相關窄帶信號入射到時間調制互質陣列中，信號的載波頻率為f₀，系統接收的信號y(t)表示為：

式中，θ_l為第l個遠場非相關窄帶信號的入射角，s_l(t)為入射角度為θ_l的遠場目標的接收信號，w_mn(t)代表零均值、方差為σ²的高斯白噪聲；

結合上述系統的陣列因子AF(θ,t)，將系統接收的信號y(t)表示為y_h(t)：