CN111142064A - 一种提高阵列自由度和虚拟孔径的阵列设置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于阵列信号处理技术领域，具体涉及一种提高阵列自由度和虚拟孔径的阵列设置方法。首先，根据给定的任意阵元数W确定两个线性子阵的阵元数量m和n；其次，根据m和n确定两个线性子阵的阵列间隔dm和dn；最后根据m、n、dm和dn分别确定两个线性子阵的阵元位置。本发明与传统互质阵列相比具有更大的虚拟阵元个数、连续虚拟阵元个数和阵列物理孔径，可以实现任意数阵元的阵列设置，可实现入射信号源数大于阵元数情况下的DOA估计。在相同阵元数情况下，本发明与传统互质阵列相比具有更多的信源到达角估计能力和更低的DOA估计均方根误差。本发明设计简单、合理、可行性高，能有效解决传统互质阵列物理孔径小的实际问题。

Description

一种提高阵列自由度和虚拟孔径的阵列设置方法
技术领域
本发明属于阵列信号处理领域，涉及一种提高阵列自由度和虚拟孔径的阵列设置方法。
背景技术
波达方向(Direction of arrival,DOA)估计是雷达、声呐、地震和无线电通信处理领域内的一个重要研究内容。对于一个线性阵列采用传统的子空间类方法如多重信号分类(Multiple signal classification,MUSIC)和多尺度旋转不变因子(Estimation ofsignal parameters via rotational invariant techniques,ESPRIT)可以实现最多W-1个信号源的DOA估计。对于信号源数大于阵元数的欠定DOA估计问题，通常是利用等效的虚拟阵列提高阵列的自由度(Degrees of freedom,DOFs)，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，通常，增大阵列物理孔径、虚拟阵元个数和连续虚拟阵元个数可以实现DOA估计性能的改善。目前主要有最小冗余阵列、最小空洞阵列、嵌套阵列和互质阵列等四种稀疏阵列可以有效提高阵列孔径、虚拟阵元个数和连续虚拟阵元个数。最小冗余阵列和最小空洞阵列由于没有闭式解，因而无法给出任意阵元数的阵元位置；嵌套阵列的第一级子阵为密集阵列，因而容易产生严重的互耦，限制了其应用的范围；互质阵列相对来说阵元间距较大，产生的互耦较小，但是其物理孔径较小、虚拟阵列个数少、连续虚拟阵元个数少，对提高阵列角度分辨率和信源个数不利，且阵列设计的前提是寻找满足条件的互质数，不易给出任意数阵元的阵元位置闭式解。
发明内容
本发明的目的在于提出一种提高阵列自由度和虚拟孔径的阵列设置方法，解决了现有互质阵列虚拟阵元个数少、连续虚拟阵元个数少和物理孔径不够大的问题。
为解决上述技术问题，本发明基于互质数原理提出了一种提高虚拟阵列的任意数阵元的阵列设置方法，可实现任意数阵元的阵列设置，且该阵列具有更高的物理孔径、虚拟阵元个数和连续虚拟阵列个数。
现将本发明构思及技术解决方案叙述如下：
步骤1：根据给定的阵元数W确定改进型互质阵列两个子阵的阵元数量m和n。
步骤2：根据m和n确定两个子阵的阵列间隔dm和dn。
步骤3：根据m、n、dm和dn确定两个子阵的阵元位置Sm和Sn。
步骤4：构成最终的改进型互质阵列，该阵列阵元位置可表示为S＝Sm∪Sn。
步骤1所述两子阵列的阵元数量m和n为：
(1)当总阵元数W为3的倍数时，即表示为W＝3k，则令R＝k，
Figure BDA0002357003660000021
n＝W-m，q＝0；
(2)当总阵元数W为3的倍数加1时，即表示为W＝3k+1，则令R＝k，
Figure BDA0002357003660000022
n＝W-m，令，q＝1；
(3)当总阵元数W为3的倍数加2时，即表示为W＝3k+2，则令R＝k+1，
Figure BDA0002357003660000023
n＝W-m，q＝2。
步骤2所述的两个子阵列的阵列间隔dm和dn为：
(1)子阵列1为含有m个阵元且阵元间距为(R+1)d的均匀线阵，其中d为入射信号半波长；
(2)子阵列2为含有n个阵元且阵元间距为Rd的均匀线阵。
步骤3所述的两个子阵的阵元位置Sm和Sn为：
(1)子阵列2为含有n个阵元，其阵元位置表示为：Sn＝{0,R,…,(n-1)Rd}。
(2)子阵列1为含有m个阵元，其阵元位置表示为：
当q＝0或q＝1时，Sm＝{0,(R+1)d,…,(m-1)(R+1)d}+(R(R+q)+1)d。
当q＝2时，Sm＝{0,(R+1)d,…,(m-1)(R+1)d}+(R2+1)d。
本发明与现有互质阵列设置方法相比具有以下优点：
1、本发明提出的阵列设置方法，基于互质数原理，通过合理的阵元设置，同时提升了阵列的虚拟阵元个数、连续虚拟阵元个数和物理孔径，且可以实现任意数阵元的阵列设置。
2、本发明提出的阵列设置方法，提高了阵列的物理孔径，即整个阵列长度更大，因此可以提高测向精度。
3、本发明提出的阵列设置方法，提高了虚拟阵元个数和连续虚拟阵列个数，即可以实现更多信源的DOA估计。
4、本发明设计简单、合理、可行性高，能有效解决传统互质阵列物理孔径小的实际问题。
附图说明
图1、为本发明阵列设置方法的工艺流程图；
图2、为两种阵列物理孔径随阵元数变化图；
图3、为两种阵列的虚拟阵元个数随阵元数变化图；
图4、为两种阵列的连续虚拟阵元个数随阵元数变化图。
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物理孔径较小、虚拟阵元个数和连续虚拟阵元个数少的问题，提出了一种提高阵列自由度和虚拟孔径的阵列设置方法。可用于入射信源个数大于阵元数情况下的波达方向估计、相比于传统的互质阵列具有更好的DOA估计性能。
参照图1，即本发明阵列设置方法的工艺流程图，具体实现步骤如下：
步骤1：根据给定的阵元数W确定改进型互质阵列两个子阵的阵元数量m和n。
1a)当总阵元数W为3的倍数时，即表示为W＝3k，则令R＝k，
Figure BDA0002357003660000032
n＝W-m，q＝0；
1b)当总阵元数W为3的倍数加1时，即表示为W＝3k+1，则令R＝k，
Figure BDA0002357003660000033
n＝W-m，令，q＝1；
1c)当总阵元数W为3的倍数加2时，即表示为W＝3k+2，则令R＝k+1，
Figure BDA0002357003660000034
n＝W-m，q＝2。
步骤2：根据m和n确定两个子阵的阵列间隔dm和dn。
2a)子阵列1为含有m个阵元且阵元间距为(R+1)d的均匀线阵，其中d为入射信号半波长；
2b)子阵列2为含有n个阵元且阵元间距为Rd的均匀线阵。
步骤3：根据m、n、dm和dn确定两个子阵的阵元位置Sm和Sn。
3a)子阵列2为含有n个阵元，其阵元位置表示为：Sn＝{0,R,…,(n-1)Rd}。
3b)子阵列1为含有m个阵元，其阵元位置表示为：
当q＝0或q＝1时，Sm＝{0,(R+1)d,…,(m-1)(R+1)d}+(R(R+q)+1)d。
当q＝2时，Sm＝{0,(R+1)d,…,(m-1)(R+1)d}+(R2+1)d。
步骤4：构成最终的改进型互质阵列，该阵列阵元位置可表示为S＝Sm∪Sn。
表1：一种新的阵列阵元位置分布表
Figure BDA0002357003660000031
Figure BDA0002357003660000041
参照表1，分别是阵元数为30、31和32的阵元位置分布表。带下划线的为子阵1的阵元，不带下划线的为子阵2的阵元。子阵1的阵元间距比子阵2的阵元间距大半个波长。
参照图2，是两种物理阵列孔径随阵元数变化图。从图2中可以显然看到，随着总阵元数的变化，本发明对应的阵列结构的物理阵列孔径大于传统互质阵列。
参照图3和图4，是两种质阵列的虚拟阵元个数和连续虚拟阵元个数随总阵元数变化图。从图3和图4中可以显然看到，随着阵元数的变化，本发明对应的阵列结构的虚拟阵元个数和连续虚拟阵元个数均大于传统互质阵列。
综上，本发明具有更大的虚拟阵元个数、连续虚拟阵元个数和物理阵列孔径，因而具有更优的DOA估计性能。

Claims (4)

1.一种提高阵列自由度和虚拟孔径的阵列设置方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：根据给定的阵元数W确定改进型互质阵列两个子阵的阵元数量m和n；
步骤2：根据m和n确定两个子阵的阵列间隔dm和dn；
步骤3：根据m、n、dm和dn确定两个子阵的阵元位置Sm和Sn；
步骤4：构成最终的改进型互质阵列，该阵列阵元位置可表示为S＝Sm∪Sn。
2.根据权利要求1所述的一种提高阵列自由度和虚拟孔径的阵列设置方法，其特征在于，步骤1所述两子阵列的阵元数量m和n为：
(1)当总阵元数W为3的倍数时，即表示为W＝3k，则令R＝k，
Figure FDA0002357003650000011
n＝W-m，q＝0；
(2)当总阵元数W为3的倍数加1时，即表示为W＝3k+1，则令R＝k，
Figure FDA0002357003650000012
n＝W-m，令，q＝1；
(3)当总阵元数W为3的倍数加2时，即表示为W＝3k+2，则令R＝k+1，
Figure FDA0002357003650000013
n＝W-m，q＝2。
3.根据权利要求1所述的一种提高阵列自由度和虚拟孔径的阵列设置方法，其特征在于，步骤2所述的两个子阵列的阵列间隔dm和dn为：
(1)子阵列1为含有m个阵元且阵元间距为(R+1)d的均匀线阵，其中d为入射信号半波长；
(2)子阵列2为含有n个阵元且阵元间距为Rd的均匀线阵。
4.根据权利要求1所述的一种提高阵列自由度和虚拟孔径的阵列设置方法，其特征在于，步骤3所述的两个子阵的阵元位置Sm和Sn为：
(1)子阵列2为含有n个阵元，其阵元位置表示为：Sn＝{0,R,…,(n-1)Rd}；
(2)子阵列1为含有m个阵元，其阵元位置表示为：
当q＝0或q＝1时，Sm＝{0,(R+1)d,…,(m-1)(R+1)d}+(R(R+q)+1)d；
当q＝2时，Sm＝{0,(R+1)d,…,(m-1)(R+1)d}+(R2+1)d。
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