一种基于虚拟和差阵概念的补充互质阵设计方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115906376A(43)申请公布日2023.04.04(21)申请号202111173695.X(22)申请日2021.09.30(71)申请人北京理工大学地址100081北京市海淀区中关村南大街5号(72)发明人王卫江任仕伟彭喆(51)Int.Cl.G06F30/20(2020.01)权利要求书1页说明书5页附图3页(54)发明名称一种基于虚拟和差阵概念的补充互质阵设计方法(57)摘要本发明公开了一种基于虚拟和差阵概念的补充互质阵设计方法。该方法首先将传统互质阵中的部分传感器移除以降低冗余。之后用这些移除的传感器构造一个补充子阵，使其虚拟和差阵具有大范围连续段，进而获得自由度的提升，同时严格限制了有小间隔的传感器对数量，减轻互耦影响。其实现步骤是：计算阵元间距基本单元，确定阵元数和阵元间隔参数，根据解析式确定阵元的物理位置。本发明可以在相同阵元数的条件下，有效增大虚拟和差阵的自由度，降低互耦效应，提高波达方向的估计精度，提高空间目标探测能力，减少阵列运行成本。CN115906376ACN115906376A权利要求书1/1页1.一种基于虚拟和差阵概念的补充互质阵设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)用d表示阵元间距的基本单元，将其取为半波长，即d＝λ/2，λ表示阵列入射信号的波长；(2)根据阵列给定的总阵元数R，选取两个互质整数M和N作为阵列参数，满足R＝2M+N‑1，其中N>M≥3；(3)构造一个传统互质阵，它由两个均匀线性子阵组成，第一个子阵有N个元素间间隔为Md的传感器，记为第二个子阵有2M个元素间间隔为Nd的传感器，记为两个子阵共用位于位置0处的传感器；(4)从第二个子阵中移除个不重要传感器，它们位于第二个子阵的剩余传感器记为(5)用步骤(4)中移除的不重要传感器构造一个补充子阵，记为(6)得到的补充互质阵被定义为利用它的阵元生成虚拟和差共阵；首先，虚拟差阵的位置可以通过计算获得；其次，虚拟和阵的位置可以通过计算获得；最后，虚拟和差共阵由虚拟差阵和虚拟和阵的并集构成，记为(7)找到虚拟和差阵的最大连续段[‑Lud,Lud]，即可得到阵列自由度Lu；利用这个虚拟连续均匀线阵，可执行各类基于子空间分解的波达方向估计算法，对空间信号的来波方向进行准确估计。2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟和差阵概念的补充互质阵设计方法，其特征在于，补充互质阵通过将传统互质阵中的个传感器重新排列在原阵列的右侧，形成一个补充子阵列3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟和差阵概念的补充互质阵设计方法，其特征在于，所述阵列的自由度为4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟和差阵概念的补充互质阵设计方法，其特征在于，所述阵列在给定总阵元数R＝2M+N‑1的情况下，当M和N分别取时，虚拟阵列的自由度Lu最大，最大自由度为然而，M和N的最优值一般不是互质整数，对于大多数传感器数R，可以选择最优值周围的互质整数对作为M和N的值。2CN115906376A说明书1/5页一种基于虚拟和差阵概念的补充互质阵设计方法技术领域[0001]本发明属于阵列信号处理领域，涉及到一种适用于波达方向估计的稀疏阵列优化布局及设计方法，具体是一种基于互质阵的阵列孔径扩展结构，可用于生成高自由度和低互耦的虚拟和差阵列。背景技术[0002]波达方向估计是阵列信号处理领域的一个重要课题，在雷达、声呐、无线通信、导航等应用中扮演了重要的角色。传统的波达方向估计采用了均匀排布的传感器阵列，传感器间隔小于半波长。这种均匀排布方式，保证了信号的空间谱形式唯一，空间信息无混叠，并能通过谱函数唯一辨识空间探测目标。然而，均匀线阵的可识别信源数受到了自由度的严重限制，一个R传感器的均匀线阵最多只能识别R‑1个信源。[0003]为了解决信源数多于阵元数的欠定波达方向估计问题，使用了较少传感器的非均匀线阵，也被称作稀疏阵，被提出。稀疏阵通过对各阵元接收信号计算协方差，再对协方差矩阵进行矢量化操作，获得等效虚拟相控阵。其虚拟阵元位置位于实际阵元的差分位置处，如果能令虚拟差阵连续排布，就可以利用虚拟阵实现目标方位估计。最常用的稀疏阵是嵌套阵和互质阵。嵌套阵能够产生无孔的虚拟差阵，但是它遭受了严重的互耦影响由于紧密排布的传感器。互质阵有更加稀疏的结构，因此能够减轻互耦效应，但是虚拟差阵中存在的孔极大限制了可获得的连续虚拟传感器数量。通过运用矢量化共轭增广MUSIC算法和矢量化非圆MUSIC算法，得到的虚拟阵将同时包含了差阵与和阵，其虚拟阵阵元位置是实际阵元位置的差与和。对于互质阵，它的虚拟差阵中的孔能够由虚拟和阵中的元素进行填补，同时虚拟和阵的引入也进一步扩大了连续虚拟阵的范围。然而，目前的互质结构都是针对虚拟差阵设计的，没有考虑虚拟和阵，