CN106291473B - 嵌套式天线阵列设置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌套式天线阵列设置方法，主要解决现有技术阵列自由度DOF和阵列孔径不够高的问题。其技术方案是：首先，给定总阵元K时，完成对内部子阵的阵元数M和外部子阵的阵元数N的划分；其次，根据阵元数M构造一个密集均匀线阵的内部子阵；再次，根据阵元数N构造一个稀疏均匀线阵的外部子阵；最后，通过内部子阵和外部子阵，再确定一个阵元的位置。本发明具有更高的阵列自由度DOF和更大的阵列孔径，能实现对更多目标波达方向DOA的估计，可用于目标方位的估计。

Description

嵌套式天线阵列设置方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及一种嵌套式天线阵列设置方法，可用于估计目标个数大于阵元数情况下的波达方向，提高阵列的自由度和测角精度。

背景技术

波达方向DOA估计是雷达、声纳信号处理中的一个重要研究方向。对于一个具有K个阵元的均匀线性阵列，采用传统的波达方向估计方法，如多重信号分类MUSIC，多尺度旋转不变因子ESPRIT等所能分辨的最大目标个数为K-1个。而欠定波达方向估计问题，即目标个数大于阵元数的波达方向DOA估计经常出现并引起广泛的研究兴趣。解决该问题的一种有效方法是利用一个等效的虚拟阵列来提高波达方向估计的自由度DOF，该虚拟阵列是通过对阵列接收信号的协方差矩阵向量化来构造的。

最近提出的最小冗余阵列MRA、嵌套式阵列NA和互质阵列CA就是利用稀疏阵的差分合成阵列来提高自由度的。其中：

最小冗余阵列MRA，可以获得最大的自由度DOF，然而，最小冗余阵列MRA的阵元位置及自由度都没有明确的闭式解，且现有方法只能获得阵元数小于等于17的最小冗余阵列MRA。

嵌套式阵列NA，其阵元位置具有闭式解，并且通过利用接收数据的二阶统计信息，使用K个阵元就可以获得O(K²)的自由度，同时由它构造的虚拟阵列是一个完全填充的均匀线性阵列，即全部位置上虚拟阵元都是连续的，但其自由度DOF和阵列孔径还不是最大的。

互质阵列CA，其由两个阵元数目分别是M、N的均匀线性子阵构成，其中M、N为互质的整数，它能够获得多于阵元数目的自由度，但是由它构造的虚拟阵列并不是一个完全填充的均匀线性阵列，即在某些位置上没有虚拟阵元。

综上，现有阵列虽然均能获得多于阵元数目的自由度，但存在一定的不完善，不能获取更高的自由度DOF和更大的阵列孔径。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有嵌套式阵列阵列NA的不足，提出一种嵌套式天线阵列设置方法，以获取更高的阵列自由度DOF和更大的阵列孔径。

为实现上述目的，本发明的技术方案是通过构造一个密集均匀线阵的内部子阵和稀疏均匀线阵的外部子阵，确定最后一个阵元位置，其实现步骤包括如下：

1)根据给定总阵元数K，计算密集均匀线阵的阵元数M和稀疏均匀线阵的阵元数N。

1a)对于任意给定的总阵元数K，计算密集均匀线阵的阵元数M：

1b)根据得到的密集均匀线阵的阵元数M，计算稀疏均匀线阵的阵元数N：

N＝K-M-1；

2)根据密集均匀线阵的阵元数M，得到密集均匀线阵的阵元位置{u_M}：

{u_M}＝{0,1,2，…,m,…,M-1}·d，

其中m表示密集均匀线阵阵元的位置系数，0≤m≤M-1，d表示单位阵元间隔，通常取值为半波长；

3)根据密集均匀线阵的阵元数M，计算稀疏均匀线阵的单位阵元间隔D：

D＝M+1；

4)根据稀疏均匀线阵的阵元数N和单位阵元间隔D，得到稀疏均匀线阵的阵元位置{u_N}：

{u_N}＝{2M,D+2M,2D+2M,…,n·D+2M,…,(N-1)·D+2M}·d，

其中n表示稀疏均匀线阵阵元的位置系数，0≤n≤N-1；

5)根据稀疏均匀线阵的阵元位置{u_N}，确定最后一个阵元位置{u₁}：

{u₁}＝(MN+2M+N-1)·d；

6)根据密集均匀线阵的阵元位置{u_M}，稀疏均匀线阵的阵元位置{u_N}和最后一个阵元位置{u₁}，得到嵌套式天线阵列{u}：

{u}＝{u_M}+{u_N}+{u₁}。

本发明与现有嵌套式阵列设置方法相比具有以下优点：

1.本发明通过构造一个稀疏均匀线阵，提高了阵列的自由度DOF，并可实现对更多目标波达方向DOA的估计。同时由于其差分合成阵列是一组连续的整数，所以其构造的虚拟阵列是一个完全填充的均匀线性阵列；

2.本发明通过构造一个稀疏均匀线阵，具有更大的阵列孔径，即整个阵列长度更大，提高了测向精度。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明与嵌套式阵列NA的差分合成阵列自由度与总阵元数关系比较图；

图3是本发明与嵌套式阵列NA的阵列孔径与总阵元数关系比较图；

图4是给定总阵元数为8时，本发明和嵌套式阵列NA的阵列位置示意图；

图5是给定总阵元数为16时，本发明和嵌套式阵列NA的阵列位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的内容和效果。

本发明先构造一个密集均匀线阵的内部子阵，再构造一个稀疏均匀线阵的外部子阵，最后根据这两个内外子阵再确定出一个阵元的位置。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1：根据给定总阵元数K，计算密集均匀线阵的阵元数M和稀疏均匀线阵的阵元数N。

1a)根据实际应用场合需求，如飞机，潜艇及移动设备，对于阵列总阵元数K是有限制的，对于任意给定的总阵元数K，计算密集均匀线阵的阵元数M：

1b)根据得到的密集均匀线阵的阵元数M，计算稀疏均匀线阵的阵元数N：

N＝K-M-1。

计算出稀疏均匀线阵的阵元数N后，即完成了给定总阵元K时，对本发明内部子阵的阵元数M和外部子阵的阵元数N的划分。

步骤2：构造一个密集均匀线阵的内部子阵。

根据密集均匀线阵的阵元数M和单位阵元间隔d，得到密集均匀线阵的阵元位置{u_M}：

{u_M}＝{0,1,2，…,m,…,M-1}·d，

其中m表示密集均匀线阵阵元的位置系数，0≤m≤M-1，d表示单位阵元间隔，取值为半波长。

步骤3：构造一个稀疏均匀线阵的外部子阵。

3a)根据根据密集均匀线阵的阵元数M，计算稀疏均匀线阵的单位阵元间隔D：

D＝M+1。

3b)根据稀疏均匀线阵的阵元数N和单位阵元间隔D，得到稀疏均匀线阵的阵元位置{u_N}：

{u_N}＝{2M,D+2M,2D+2M,…,n·D+2M,…,(N-1)·D+2M}·d，

其中n表示稀疏均匀线阵阵元的位置系数，0≤n≤N-1。

步骤4：确定最后一个阵元的位置。

根据内部子阵的阵元数M和外部子阵的阵元数N，确定最后一个阵元位置{u₁}：

{u₁}＝(MN+2M+N-1)·d；

步骤5：根据密集均匀线阵的阵元位置{u_M}，稀疏均匀线阵的阵元位置{u_N}和最后一个阵元位置{u₁}，得到嵌套式天线阵列{u}：

{u}＝{u_M}+{u_N}+{u₁}＝＝{c₁,c₂,…,c_i,…,c_K}，

其中c_i表示嵌套式天线阵列的第i个阵元的位置，1≤i≤K。

至此，本发明的实现步骤已结束，为进一步说明本发明优点，以下步骤给出本发明的特征参数计算，用于后续仿真。

步骤6：根据嵌套式天线阵列{u}，计算阵列孔径L：

L＝c_K＝M·N+2M+N-1，

步骤7：根据嵌套式天线阵列{u}，得到差分合成阵列{u_DCA}：

{u_DCA}＝{c_i-c_i′}，

其中c_i′表示嵌套式天线阵列{u}的第i′个阵元的位置，1≤i′≤K。

通过以上步骤7得到的差分合成阵列{u_DCA}是一组连续的整数，即完全填充型的，所有整数的个数即自由度DOF：

DOF＝2M·N+4M+2N-1。

本发明的效果通过以下计算仿真进一步说明：

仿真1：对本发明的阵列设置的差分合成阵列的自由度和有效孔径与总阵元数的关系进行仿真。

1.1)仿真条件：设总阵元数为9～36间的连续整数。

1.2)仿真内容与结果：

1.2a)在上述1.1)仿真条件下，对本发明的阵列设置的差分合成阵列自由度与总阵元数的关系进行仿真，结果如图2所示；

1.2b)在上述1.1)仿真条件下，对本发明的阵列设置的有效孔径与总阵元数关系进行仿真，结果如图3所示。

从图2可以看出，差分合成阵列的自由度随总阵元数的增加而增大，本发明具有最高的自由度。

从图3可以看出，有效孔径随总阵元数的增加而增大，本发明具有最高的阵列孔径。

仿真2：对本发明和嵌套式阵列NA的阵列位置示意图进行比较仿真。

2.1a)仿真条件：设总阵元数为8。

2.1b)仿真条件：设总阵元数为16。

2.2)仿真内容与结果：

在上述2.1a)仿真条件下，对本发明和嵌套式阵列NA阵列位置示意图进行比较仿真，结果如图4所示，图4中的数字表示阵元位置系数。

在上述2.1b)仿真条件下，对本发明和嵌套式阵列NA阵列位置示意图进行比较仿真，结果如图5所示，图5中的数字表示阵元位置系数。

从图4和图5可以看出，本发明具有比嵌套式阵列更大的阵列长度，可提高测角精度。

综上，本发明拥有更高的阵列自由度DOF和更大的阵列孔径，能实现对更多目标波达方向DOA的估计，同时提高了测向精度。

Claims (1)

1.一种嵌套式天线阵列设置方法，包括以下步骤：

1)根据给定总阵元数K，计算密集均匀线阵的阵元数M和稀疏均匀线阵的阵元数N：

1a)对于任意给定的总阵元数K，计算密集均匀线阵的阵元数M：

1b)根据得到的密集均匀线阵的阵元数M，计算稀疏均匀线阵的阵元数N：

N＝K-M-1；

2)根据密集均匀线阵的阵元数M，得到密集均匀线阵的阵元位置{u_M}：

{u_M}＝{0,1,2，…,m,…,M-1}·d，

其中m表示密集均匀线阵阵元的位置系数，0≤m≤M-1，d表示单位阵元间隔，取值为半波长；

3)根据密集均匀线阵的阵元数M，计算稀疏均匀线阵的单位阵元间隔D：

D＝M+1；

4)根据稀疏均匀线阵的阵元数N和单位阵元间隔D，得到稀疏均匀线阵的阵元位置{u_N}：

{u_N}＝{2M,D+2M,2D+2M,…,n·D+2M,…,(N-1)·D+2M}·d，

其中n表示稀疏均匀线阵阵元的位置系数，0≤n≤N-1；

5)根据稀疏均匀线阵的阵元位置{u_N}，确定最后一个阵元位置{u₁}：

{u₁}＝(MN+2M+N-1)·d；

6)根据密集均匀线阵的阵元位置{u_M}、稀疏均匀线阵的阵元位置{u_N}和最后一个阵元位置{u₁}，得到嵌套式天线阵列{u}：

{u}＝{u_M}+{u_N}+{u₁}。