CN112182853A - 基于时间调制的互质阵列系统及其doa估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于时间调制的互质阵列系统及其DOA估计方法。系统包括互质阵列,阵列通过射频开关进行调制,阵列的输出信号通过带通滤波进行分离,获得基波和谐波。方法包括构建时间调制互质阵列系统的信号模型,构建虚拟阵列;基于虚拟阵列进行DOA估计。通过将互质结构引入时间调制阵列,在得到低旁瓣的同时,系统可以获得更多的虚拟阵元,从而有效扩展虚拟孔径。由于虚拟孔径的增加,一方面可以提升系统的DOA估计性能,另一方面可以被方便地形成宽度更窄的波束。相比于时间调制均匀线性阵列,本发明在阵元数目相同的情况下可以得到更窄的波束以及更好的DOA性能。
Description
技术领域
本发明属于阵列信号处理领域,特别涉及一种基于时间调制的互质阵列系统及其DOA估计方法。
背景技术
互质阵列是一种非均匀线性阵列,它由两个阵元数目呈互质关系的子阵所构成。在进行DOA估计时,互质阵列由于自身的特性,可以得到更大的虚拟口径,从而实现精度和分辨率更高的DOA估计。因此,互质阵列被广泛研究,并利用到很多领域中。
时间调制阵列是一种采用时间作为变量控制阵列信号的新型阵列,通过射频开关进行控制。相比于传统相控阵,其灵活度更高,结构更简单,目前吸引了大量研究。然而,基于时间调制阵列的研究目前还未涉及其虚拟孔径的扩展。若将互质结构引入时间调制阵列,则可以进一步拓展阵列口径,可以大大提升时间调制阵列的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于时间调制的互质阵列系统及其DOA估计方法。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种基于时间调制的互质阵列系统,所述系统包括互质阵列,阵列通过射频开关进行调制,阵列的输出信号通过带通滤波进行分离,获得基波和谐波。
进一步地,所述系统的阵列因子AF(θ,t)为:
式中,h表示谐波级数,ω0=2πf0为载频信号的角频率,f0为载频信号的频率,k为波数,θ为信号方向,M和N分别为互质阵列中两个子阵的数目,两个子阵各自阵元的间距分别为Nd和Md,τmn,on和τmn,off分别为第(m,n)个阵元每个周期内的开启、关闭时间,Tp为射频开关的调制周期,Fp=1/Tp为调制频率,ωp为调制信号的角频率。
基于时间调制的互质阵列系统的DOA估计方法,所述方法包括以下步骤:
步骤1,构建时间调制互质阵列系统的信号模型;
步骤2,构建虚拟阵列;
步骤3,基于虚拟阵列进行DOA估计。
进一步地,步骤1所述构建时间调制互质阵列系统的信号模型,具体包括:
假设有L个远场非相关窄带信号入射到时间调制互质阵列中,信号的载波频率为f0,系统接收的信号y(t)表示为:
式中,θl为第l个远场非相关窄带信号的入射角,sl(t)为入射角度为θl的远场目标的接收信号,wmn(t)代表零均值、方差为σ2的高斯白噪声;
结合上述系统的阵列因子AF(θ,t),将系统接收的信号y(t)表示为yh(t):
进一步地,步骤2所述构建虚拟阵列,具体包括:
步骤2-1,假设信号快拍为i=1,2,···,K,将上述信号yh(t)表示为矩阵形式:
Y(i)=BT[AS(i)+Ne(i)]+No(i)
式中,A=[a(θ1),a(θ2),···,a(θL)]为入射信号矢量矩阵,其中S(i)=[s1(i),s2(i),···,sL(i)]T表示源信号,Ne(i)表示具有不相关项的加性复高斯噪声向量,No(i)表示由射频开关和滤波器引起的噪声矢量,Y(i)=[y-G(i),y-G+1(i),···,yG(i)]T为各个谐波上接收到的信号,谐波的范围为±G,数量为2G+1,谐波矩阵B为:
其中,G为虚拟阵列信号;
虚拟阵列元素的位置表示为:
S={±(mN-nM)d,0≤n≤N-1,0≤m≤M-1}。
进一步地,步骤3所述基于虚拟阵列进行DOA估计,具体过程包括:
步骤3-1,将阵元数为M的子阵扩展为阵元数为2M的子阵,由此将虚拟阵列的连续部分-(M+N-1)d到(M+N-1)d变为-(MN+M-1)到-(MN+M-1);
步骤3-2,假设Gc为虚拟阵列信号G的连续部分,将虚拟阵列表示为矩阵Zc:
Zc=GcP+σ2Ec
式中,Ec为连续部分的噪声向量;
步骤3-3,将虚拟阵列的连续部分划分为MN+1个子阵,每个子阵包括MN+1个阵元,第j个子阵表示为:
{(-j+o+1)d,o=1,2,···,MN+M-1}
第j个子阵的矩阵Zcj为:
Zcj=GcjP+σ2Ecj
步骤3-4,获取第j个子阵的协方差矩阵Rj:
步骤3-6,构建DOA估计的空间谱函数为:
基于所述空间谱函数实现DOA估计。
本发明与现有技术相比,其显著优点为:1)将互质阵结构引入时间调制阵列,在具有时间调制阵列低旁瓣、高灵活性优势的同时,大大增加了系统的自由度,进一步扩展阵列的孔径;2)基于时间调制系统,无需移相器,减小了系统的复杂度;3)相比于阵列元素数目相同的时间调制均匀线性阵列,本发明所提出的系统可以得到更大的虚拟孔径以及更好的DOA估计性能。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中本发明基于时间调制的互质阵列系统的结构图。
图2为一个实施例中虚拟阵列图。
图3为一个实施例中基于扩展结构的互质阵列示意图。
图4为一个实施例中目标的DOA估计结果仿真实验对比图,其中图(a)为对入射角度为10°的目标进行DOA估计的结果,图(b)为对入射角度10°和20°的目标进行DOA估计的结果,图(c)为对入射角度5°、10°和19°的目标进行DOA估计的结果,图(d)为对入射角度3°、10°、16°和19°的目标进行DOA估计的结果。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本申请进行进一步详细说明。应当理解,此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请,并不用于限定本申请。
在一个实施例中,结合图1,提供了一种基于时间调制的互质阵列系统,所述系统包括互质阵列,阵列通过射频开关进行调制,阵列的输出信号通过带通滤波进行分离,获得基波和谐波。
进一步地,在其中一个实施例中,所述系统的阵列因子可以表示为:
Umn(t)为系统控制每个阵元开启和关闭的时间函数,定义为:
由于周期性开关,因此Umn(t)可以表示为:
式中,bmn,h为Umn(t)的傅里叶级数展开后的第(m,n)阵元h次谐波的傅里叶因子,表示为:
根据上述过程,将系统的阵列因子表示为:
式中,h表示谐波级数,ω0=2πf0为载频信号的角频率,f0为载频信号的频率,k为波数,θ为信号方向,M和N分别为互质阵列中两个子阵的数目,两个子阵各自阵元的间距分别为Nd和Md,τmn,on和τmn,off分别为第(m,n)个阵元每个周期内的开启、关闭时间,Tp为射频开关的调制周期,Fp=1/Tp为调制频率,ωp为调制信号的角频率。
在一个实施例中,提供了一种基于时间调制的互质阵列系统的DOA估计方法,所述方法包括以下步骤:
步骤1,构建时间调制互质阵列系统的信号模型;
步骤2,构建虚拟阵列;
步骤3,基于虚拟阵列进行DOA估计。
进一步地,在其中一个实施例中,步骤1所述构建时间调制互质阵列系统的信号模型,具体包括:
假设有L个远场非相关窄带信号入射到时间调制互质阵列中,信号的载波频率为f0,系统接收的信号y(t)表示为:
式中,θl为第l个远场非相关窄带信号的入射角,sl(t)为入射角度为θl的远场目标的接收信号,且它们之间互不相关,和噪声信号也不相关,wmn(t)代表零均值、方差为σ2的高斯白噪声;
结合上述系统的阵列因子AF(θ,t),将系统接收的信号y(t)表示为yh(t):
进一步地,在其中一个实施例中,步骤2所述构建虚拟阵列,具体包括:
步骤2-1,假设信号快拍为i=1,2,···,K,将上述信号yh(t)表示为矩阵形式:
Y(i)=BT[AS(i)+Ne(i)]+No(i)
式中,A=[a(θ1),a(θ2),···,a(θL)]为入射信号矢量矩阵,其中S(i)=[s1(i),s2(i),···,sL(i)]T表示源信号,Ne(i)表示具有不相关项的加性复高斯噪声向量,No(i)表示由射频开关和滤波器引起的噪声矢量,Y(i)=[y-G(i),y-G+1(i),···,yG(i)]T为各个谐波上接收到的信号,谐波的范围为±G,数量为2G+1,谐波矩阵B为:
其中,G为虚拟阵列信号;
虚拟阵列元素的位置表示为:
S={±(mN-nM)d,0≤n≤N-1,0≤m≤M-1}。
结合图2,时间调制互质阵列的虚拟阵列扩展了阵列结构,从-N(M-1)d到N(M-1)d,其中连续部分为-(M+N-1)d到(M+N-1)d。
进一步地,在其中一个实施例中,步骤3所述基于虚拟阵列进行DOA估计,具体过程包括:
步骤3-1,结合图3,将阵元数为M的子阵扩展为阵元数为2M的子阵,由此将虚拟阵列的连续部分-(M+N-1)d到(M+N-1)d变为-(MN+M-1)到-(MN+M-1);步骤3-2,假设Gc为虚拟阵列信号G的连续部分,将虚拟阵列表示为矩阵Zc:
Zc=GcP+σ2Ec
式中,Ec为连续部分的噪声向量;
步骤3-3,将虚拟阵列的连续部分划分为MN+1个子阵,每个子阵包括MN+1个阵元,第j个子阵表示为:
{(-j+o+1)d,o=1,2,···,MN+M-1}
第j个子阵的矩阵Zcj为:
Zcj=GcjP+σ2Ecj
步骤3-4,获取第j个子阵的协方差矩阵Rj:
步骤3-6,构建DOA估计的空间谱函数为:
基于所述空间谱函数实现DOA估计。
作为一种具体示例,对本发明进行进一步验证说明,具体进行DOA估计算法的仿真实验。假设一个采用扩展互质阵列结构的时间调制阵列,其两个子阵阵元分别为M=3和N=4,假设每个阵元的调制周期为Fp=1MHz,带通滤波器的带宽和调制频率相同,载频为5GHz,快拍数K=500,信噪比为10dB,谐波数目H=3。
首先对一个在10°的目标进行测试,结果如图4(a)所示;随后对两个分别在10°和20°的目标进行测试,结果如图4(b)所示;接着对三个分别在5°、10°、19°的目标进行测试,结果如图4(c)所示;最后对四个分别在3°、10°、16°、20°的目标进行测试,结果如图4(d)所示。
在仿真实验中,还利用了均匀线性阵列、时间调制均匀线性阵列、非扩展结构的时间调制互质阵列进行对比。由图4可以看出,当目标数为1时,四种阵列均可以准确进行DOA估计,但随着目标数目的增加,除了本发明基于扩展结构的时间调制互质阵列外,其他阵列的DOA性能均有不同程度的下降,由此说明本发明可以有效进行DOA估计。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种基于时间调制的互质阵列系统,其特征在于,所述系统包括互质阵列,阵列通过射频开关进行调制,阵列的输出信号通过带通滤波进行分离,获得基波和谐波。
3.基于权利要求1至2任意一项所述的基于时间调制的互质阵列系统的DOA估计方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤1,构建时间调制互质阵列系统的信号模型;
步骤2,构建虚拟阵列;
步骤3,基于虚拟阵列进行DOA估计。
5.根据权利要求4所述的DOA估计方法,其特征在于,步骤2所述构建虚拟阵列,具体包括:
步骤2-1,假设信号快拍为i=1,2,…,K,将上述信号yh(t)表示为矩阵形式:
Y(i)=BT[AS(i)+Ne(i)]+No(i)
式中,A=[a(θ1),a(θ2),…,a(θL)]为入射信号矢量矩阵,其中j=1,2,…,L;S(i)=[s1(i),s2(i),…,sL(i)]T表示源信号,Ne(i)表示具有不相关项的加性复高斯噪声向量,No(i)表示由射频开关和滤波器引起的噪声矢量,Y(i)=[y-G(i),y-G+1(i),…,yG(i)]T为各个谐波上接收到的信号,谐波的范围为±G,数量为2G+1,谐波矩阵B为:
其中,G为虚拟阵列信号;
虚拟阵列元素的位置表示为:
S={±(mN-nM)d,0≤n≤N-1,0≤m≤M-1}。
6.根据权利要求5所述的DOA估计方法,其特征在于,步骤3所述基于虚拟阵列进行DOA估计,具体过程包括:
步骤3-1,将阵元数为M的子阵扩展为阵元数为2M的子阵,由此将虚拟阵列的连续部分-(M+N-1)d到(M+N-1)d变为-(MN+M-1)到-(MN+M-1);
步骤3-2,假设Gc为虚拟阵列信号G的连续部分,将虚拟阵列表示为矩阵Zc:
Zc=GcP+σ2Ec
式中,Ec为连续部分的噪声向量;
步骤3-3,将虚拟阵列的连续部分划分为MN+1个子阵,每个子阵包括MN+1个阵元,第j个子阵表示为:
{(-j+o+1)d,o=1,2,…,MN+M-1}
第j个子阵的矩阵Zcj为:
Zcj=GcjP+σ2Ecj
步骤3-4,获取第j个子阵的协方差矩阵Rj:
步骤3-6,构建DOA估计的空间谱函数为:
基于所述空间谱函数实现DOA估计。
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Cited By (1)
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---|---|---|---|---|
CN115407128A (zh) * | 2022-07-29 | 2022-11-29 | 南京航空航天大学 | 一种基于互质采样的电力系统谐波和间谐波频率估计方法 |
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2020
- 2020-09-08 CN CN202010935107.0A patent/CN112182853A/zh not_active Withdrawn
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YUE MA等: "Direction-of-Arrival Estimation Based on Time-Modulated Coprime Arrays", 《IEICE TRANSACTIONS ON FUNDAMENTALS OF ELECTRONICS, COMMUNICATIONS AND COMPUTER SCIENCES》 * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115407128A (zh) * | 2022-07-29 | 2022-11-29 | 南京航空航天大学 | 一种基于互质采样的电力系统谐波和间谐波频率估计方法 |
CN115407128B (zh) * | 2022-07-29 | 2023-10-27 | 南京航空航天大学 | 一种基于互质采样的电力系统谐波和间谐波频率估计方法 |
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