CN109752687A - 一种降低阵元互耦效应的改进型互质阵列设置方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种降低阵元互耦效应的改进型互质阵列设置方法。主要解决现有稀疏阵列阵元互耦大以及物理阵列孔径不够大的问题。其技术方案是：首先，根据给定的阵元数R确定与改进型互质阵列两子阵列阵元数相关的参数M及N；其次，根据M及N确定两均匀子阵列的阵元位置；最后，再在原点处添加一个阵元作为参考阵元。本发明可用于入射信源个数大于阵元数情况下的波达方向估计，并且能够减少阵元间的互耦效应，在不采用任何解耦算法的情况下仍具有良好的DOA估计性能。在相同阵元数下，本发明对应的改进型互质阵列具有更大的阵元间隔以及物理孔径，从而能够极大地降低阵元间的互耦，相比于传统的互质阵列具有更好的DOA估计性能。

Description

一种降低阵元互耦效应的改进型互质阵列设置方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种降低阵元互耦效应的改进型互质阵列设置方法。

背景技术

波达方向，DOA，估计是阵列信号处理领域内的一个重要研究方向。增大阵列孔径以及扩展阵列自由度均能够实现DOA估计性能的改善。目前，以最小冗余阵列、嵌套阵列以及互质阵列为代表的一类稀疏阵列由于其相比均匀阵列所具有的显著优势而被广泛研究，例如其阵元间距可突破入射信号半波长的限制，从而与具有相同阵元数的均匀阵列相比具有更大的阵列孔径，此外稀疏阵列通过向量化协方差矩阵可得到扩展的虚拟阵列自由度，从而能估计多于阵元数个的信源，而均匀阵列自由度受到阵元数的限制，仅能估计少于阵元数个的信源。尽管稀疏阵列相比于均匀阵列有着巨大的优势，但是各类稀疏阵列自身还存在着一定的局限性。例如，最小冗余阵列没有闭式解，即无法对于任意给定的总阵元数给出最优的阵元摆放位置。嵌套阵列和互质阵列均具有闭式解，但嵌套阵列中由于含有一个密集的、阵元间距为单位距离d(一般设为半波长)的均匀线性子阵列，因而阵元间具有较严重的互耦。相对于嵌套阵列来说，互质阵列的阵元间距要更大一些，因而阵元间的互耦弱一些，但不可避免地还是会有相距较近的阵元，即阵元间距为单位距离的阵元，因而仍会存在着一定强度的互耦，并且不会随着阵元数的增加而变弱或者消失。互耦的存在会导致各阵元间通道不一致性的增强，从而影响DOA估计性能甚至导致DOA估计结果完全错误。

目前，针对于阵元间的互耦问题已经出现了很多解耦算法，这些解耦算法的大体思路均是先建立互耦模型，再通过算法估计出互耦系数，进而再估计出DOA，因而最终的DOA估计精度会受到互耦系数估计精度的影响，这没有从源头上解决互耦问题，无法消除互耦带来的影响。因而改进原有的互质阵列，增大阵元间距，消除相距为单位距离的阵元，增大阵列孔径，最终实现降低阵元互耦乃至在阵元数足够多时消除阵元互耦是一个亟待解决的并且有意义的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低阵元互耦效应的改进型互质阵列设置方法。

一种降低阵元互耦效应的改进型互质阵列设置方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：根据给定的总阵元数R确定与改进型互质阵列的两子阵列阵元数相关的参数M及N；

步骤2：根据取得的M及N，得到组成该改进型互质阵列的两个子阵列中阵元位置；

步骤3：再在原点放置一个阵元作为参考阵元；

步骤4：参考阵元与两子阵列一同构成改进型互质阵列，最终整个阵列的阵元位置表示为l₁∪l₂∪{0}。

步骤1所述的根据给定的总阵元数R确定与改进型互质阵列的两子阵列阵元数相关的参数M及N，包括以下步骤：

步骤1.1：总阵元数R为奇数时，即表示为R＝2k+1，其中k为大于1的正整数，则M+N＝R＝2k+1，取M＝k，N＝k+1；

步骤1.2：总阵元数R为偶数时，即表示为R＝2k，其中k为大于3的正整数，则M+N＝R＝2k，则M及N取为：当k为偶数时，M＝k-1，N＝k+1；当k为奇数时，M＝k-2，N＝k+2。

步骤2所述的两个子阵列中阵元位置为：

(1)子阵列1为含有M个阵元且阵元间距为Nd的均匀线阵，其阵元位置表示为其中d为入射信号半波长；

(2)子阵列2为含有N-1个阵元且阵元间距为Md的均匀线阵，其阵元位置表示为

本发明的有益效果在于：

1)改进型互质阵列的两子阵列阵元分别分布在正、负半轴，从而增大了两子阵列阵元之间的间隔，使得整个阵列的最小阵元间距大于单位距离d，从而极大地减少了阵元间的互耦；

2)改进型互质阵列的两子阵列分别背向放置在正、负半轴，与传统的互质阵列两子阵列均放置在正半轴相比，整个阵列的物理孔径得到了极大地扩展，从而能够提高DOA估计精度。

附图说明

图1所述的一种降低阵元互耦效应的改进型互质阵列设置方法实现流程图。

图2改进型互质阵列的几何结构图。

图3两种互质阵列的互耦比率随阵元数变化图。

图4两种互质阵列的物理阵列孔径随阵元数变化图。

图5相同互耦系数条件下两种互质阵列的DOA估计均方根误差随信噪比变化图。

图6相同互耦系数条件下两种互质阵列的DOA估计均方根误差随快拍数变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步描述：

本发明针对传统互质阵列中存在的阵元互耦问题，提出了一种降低阵元互耦效应的改进型互质阵列设置方法。可用于入射信源个数大于阵元数情况下的波达方向估计，并且能够减少阵元间的互耦效应，在不采用任何解耦算法的情况下仍具有良好的DOA估计性能。利用该设置方法，可使得在相同阵元数下，本发明对应的改进型互质阵列具有更大的阵元间隔以及物理孔径，从而能够极大地降低阵元间的互耦，相比于传统的互质阵列具有更好的DOA估计性能。

参照图1，是所述的一种降低阵元互耦效应的改进型互质阵列的设置方法实现流程图，具体实现步骤如下：

步骤1：根据给定的任意总阵元数R确定与改进型互质阵列的两子阵列阵元数相关的参数M及N。

1a)总阵元数R为奇数时，即可表示为R＝2k+1，其中k为大于1的正整数，则M+N＝R＝2k+1，取M＝k，N＝k+1；

1b)总阵元数R为偶数时，即可表示为R＝2k，其中k为大于3的正整数，则M+N＝R＝2k，则M及N可取为：当k为偶数时，M＝k-1，N＝k+1；当k为奇数时，M＝k-2，N＝k+2。

步骤2：根据取得的M及N，得到组成该改进型互质阵列的两个子阵列阵元位置。

2a)子阵列1为含有M个阵元且阵元间距为Nd的均匀线阵，其阵元位置为其中d为入射信号半波长，表示前面集合中的所有元素均加上

2b)子阵列2为含有N-1个阵元且阵元间距为Md的均匀线阵，其阵元位置为 表示前面集合中的所有元素均减去

步骤3：在原点放置一个阵元作为参考阵元，与上述两子阵列一同构成改进型互质阵列，最终整个阵列的阵元位置可表示为l₁∪l₂∪{0}.

参照图2，是本发明对应的改进型互质阵列的几何结构图。原点处放置一个参考阵元，原点右侧是一个含有M个阵元，阵元间距为Nd的均匀线阵，原点左侧为一个含有N-1个阵元，阵元间距为Md的均匀线阵，整个改进型互质阵列总共包含M+N个阵元。

参照图3，是两种互质阵列的互耦比率随阵元数的变化曲线，其中阵元数为从11到99以4为步长变化。互耦比率越低，则说明阵列受互耦影响越小。从图中很显然可以看到随着阵元数的变化，本发明对应的改进型互质阵列的互耦比率均低于传统互质阵列，因而验证了本发明公开的改进型互质阵列的设置方法具有降低阵元互耦的作用。

参照图4，是两种互质阵列的物理阵列孔径随阵元数的变化曲线。从图中可以显然看到，随着阵元数的变化，本发明对应的改进型互质阵列的物理阵列孔径均大于传统互质阵列。这验证了本发明公开的改进型互质阵列在与传统互质阵列阵元数相同的条件下具有更大的物理阵列孔径。

参照图5，是相同互耦系数条件下两种互质阵列的DOA估计均方根误差随信噪比变化曲线，其中总阵元数设置为11，固定快拍数为500，信噪比从-10dB到20dB以2dB为步长进行变化。从图中很显然可以看到，随着信噪比的变化，本发明对应的改进型互质阵列的DOA估计精度始终高于传统互质阵列。

参照图6，是相同互耦系数条件下两种互质阵列的DOA估计均方根误差随快拍数变化曲线，其中总阵元数设置为11，固定信噪比为0dB，快拍数设置为[50,100:100:1000]。从图中很显然可以看到，随着快拍数的变化，本发明对应的改进型互质阵列的DOA估计精度始终高于传统互质阵列。

综上，本发明具有更大的物理阵列孔径以及更低的阵元互耦效应，因而具有更优的DOA估计性能。

Claims (3)

1.一种降低阵元互耦效应的改进型互质阵列设置方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：根据给定的总阵元数R确定与改进型互质阵列的两子阵列阵元数相关的参数M及N；

步骤2：根据取得的M及N，得到组成该改进型互质阵列的两个子阵列中阵元位置；

步骤3：再在原点放置一个阵元作为参考阵元；

步骤4：参考阵元与两子阵列一同构成改进型互质阵列，最终整个阵列的阵元位置表示为l₁∪l₂∪{0}。

2.根据权利要求1所述的一种降低阵元互耦效应的改进型互质阵列设置方法，其特征在于，步骤1所述的根据给定的总阵元数R确定与改进型互质阵列的两子阵列阵元数相关的参数M及N，包括以下步骤：

步骤1.1：总阵元数R为奇数时，即表示为R＝2k+1，其中k为大于1的正整数，则M+N＝R＝2k+1，取M＝k，N＝k+1；

步骤1.2：总阵元数R为偶数时，即表示为R＝2k，其中k为大于3的正整数，则M+N＝R＝2k，则M及N取为：当k为偶数时，M＝k-1，N＝k+1；当k为奇数时，M＝k-2，N＝k+2。

3.根据权利要求1所述的一种降低阵元互耦效应的改进型互质阵列设置方法，其特征在于，步骤2所述的两个子阵列中阵元位置为：

(1)子阵列1为含有M个阵元且阵元间距为Nd的均匀线阵，其阵元位置表示为其中d为入射信号半波长；

(2)子阵列2为含有N-1个阵元且阵元间距为Md的均匀线阵，其阵元位置表示为