[發明專利]一種基于數字可編程超表面的多源DOA估計方法

在審

• 申請號: 202111224815.4
• 申請日: 2021-10-21
• 公開（公告）號: CN113871887A
• 公開（公告）日: 2021-12-31
• 發明（設計）人: 萬向;王嘉偉;黃梓艾
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 任志艷

本發明公開了一種基于數字可編程超表面的多源DOA估計方法，包括用于調控空間電磁波的可編程超表面及利用稀疏信號恢復算法進行高精度DOA估計的過程。所述的超表面由多個集成了二極管的單元構成，單元的工作狀態可以通過加載不同電壓的方式來動態的改變。本發明利用數字可編程超表面產生一組隨機雙波束表面編碼來構建感知矩陣，利用一個接收喇叭來采樣多個方向的入射波信息并利用稀疏信號恢復算法對采樣信息進行計算，從而得到高精度的入射角信息。本發明可以在避免復雜的移相網絡及大量的傳感器的條件下，實現高精度的來波方向估計同時減少采樣成本。這項工作有望在雷達及無線通信領域擁有重要的應用前景。

技術領域

本發明屬于雷達及電磁感知領域，特別涉及一種基于數字可編程超表面的多源DOA估計方法。

背景技術

作為超材料的二維平面形式，數字式可編程超表面憑借其可重構的單元特性，可以實現對空間電磁波的靈活調控。基于這一特性，數字可編程超表面可以作為一種新型的天線類型，應用于諸如雷達及通信系統領域。DOA估計技術作為雷達和無線通信領域的關鍵技術之一，已經進行了許多年的研究。然而傳統的DOA估計方法都是基于相控陣天線的形式，這些陣列天線往往需要復雜的移項網絡結構或者大量的傳感器接收陣列。這些復雜的硬件設計會帶來很高的生產成本及計算復雜度。如何將天線陣列結構簡單化的同時實現高精度的DOA估計效果，成為了這個領域的一個重要問題。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種基于數字可編程超表面的多源DOA估計方法。該方法可以在避免復雜的移相網絡及大量的傳感器的條件下，實現高精度的來波方向估計同時減少采樣成本。

技術方案：一種基于數字可編程超表面的多源DOA估計方法，所述可編程超表面用于調控空間電磁波，利用稀疏信號恢復算法進行高精度DOA估計的過程。所述的可編程超表面由多個集成了二極管的反射式單元構成，反射式單元的工作狀態可以通過加載不同電壓的方式來動態的改變。本發明利用數字可編程超表面產生一系列隨機雙波束表面編碼來構建感知矩陣，利用一個接收喇叭來采樣多個方向的入射波信息，并利用稀疏信號恢復算法對采樣信息進行計算，從而得到高精度的入射角信息。

本發明的一種基于數字可編程超表面的多源DOA估計方法，包括以下步驟：

步驟1，利用可編程超表面產生M組隨機雙波束表面編碼，每組雙波束表面編碼對應一組固定的雙波束角度，每組雙波束的指向角度都不相同。所述M組是指40組或更多。

所述可編程超表面包括由反射式單元形成的陣列、以及接收喇叭；反射式單元形成的陣列用于產生雙波束表面編碼，接收喇叭用于接收能量。

反射式單元包括第一金屬銅柱、第二金屬銅柱、二極管、金屬扇形枝節以及從上到下依次設置的金屬貼片層、第一介質層、隔離介質的金屬地層、第二介質層、第三介質層和饋電層；

第一金屬銅柱貫穿金屬貼片層、第一介質層、金屬地層、第二介質層、第三介質層和饋電層，連接金屬貼片層和底部的饋電層；金屬扇形枝節加載在饋電層與第三介質層之間，且與第一金屬銅柱7連接，用于射頻(RF)信號隔離和直流電壓偏置；第二金屬銅柱貫穿金屬貼片層、第一介質層和金屬地層，連接金屬貼片與金屬地層，二極管設置在金屬貼片層的表面，且二極管連接在第一金屬銅柱和第二金屬銅柱之間，通過改變第一金屬銅柱與第二金屬銅柱之間的電壓控制二極管狀態，每一組雙波束表面編碼對應一組二極管狀態。

本發明中設置了400個反射式單元，也就是有400個二極管，每一個二極管都有兩種狀態，400個二極管的狀態對應了一組雙波束表面編碼，通過設置可編程超表面中400個二極管的狀態實現空間電磁波的動態調控。

步驟2，在matlab中利用步驟1中產生的M組表面編碼建立一個完整的傳感矩陣；傳感矩陣代表了空間所有方向的來波應當采樣到的信號能量。