CN116231337A - 一种基于三均匀直线阵级联的稀疏阵组阵方法及应用 - Google Patents

一种基于三均匀直线阵级联的稀疏阵组阵方法及应用 Download PDF

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杨佑禛
许海韵
巴斌
张晋
崔维嘉
菅春晓
曲晶
任嘉伟
刘起坤
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Abstract

本发明公开一种基于三均匀直线阵级联的稀疏阵组阵方法及应用，利用三个均匀直线阵组阵，通过设置大子阵阵元间距降低互耦影响，同时设置合理的子阵间距，可获得大孔径虚拟均匀直线天线阵，进而可以完成无模糊高精度的DOA估计。本发明改进了现有三均匀直线阵级联中三子阵的阵元位置，构造一个基于三均匀直线阵级联的低互耦阵列，实现差集合中小于子阵阵元间距的元素权值为1的优化目标，有效改善了现有稀疏阵型阵元间存在的互耦泄漏现象，在保证了低互耦的同时，保证了连续虚拟阵列孔径。在强互耦条件下，本发明阵型可获得最高的DOA估计精度，同时，随着互耦强度的增加，具有较好的鲁棒性。

Description

一种基于三均匀直线阵级联的稀疏阵组阵方法及应用
技术领域
本发明属于电子通信技术领域，尤其涉及一种基于三均匀直线阵级联的稀疏阵组阵方法及应用。
背景技术
基于阵列的波达方向(DOA)估计技术，在子空间算法下，可获得超分辨的估计结果。当前，阵列广泛应用均匀直线阵。为获得无模糊角度估计值，通常设置天线阵元间距不大于入射信号半波长。随着新型通信技术发展，对于DOA估计精度需求也越来越高。但均匀直线阵往往只能通过增加阵元数从而增大阵列孔径提升精度，但同时增大了设备硬件复杂度，且小阵元间距会引入互耦干扰恶化DOA估计性能。因此，考虑设计阵元间距大于半波长的稀疏阵型，从而实现高精度、无模糊、低互耦影响的DOA估计，已成为无线通信中的研究热点。
当前稀疏天线阵型设计的主要思路是，通过将物理天线阵列映射为一个大孔径虚拟均匀直线阵，从而实现无模糊高精度的DOA估计。但现有的稀疏阵为实现大孔径虚拟阵，不同阵元之间存在多个小阵元间距。当天线之间互耦干扰较强时，DOA估计精度恶化严重。
发明内容
针对现有的稀疏阵为实现大孔径虚拟阵，不同阵元之间存在多个小阵元间距，当天线之间互耦干扰较强时，DOA估计精度恶化严重的问题，本发明提出一种基于三均匀直线阵级联的稀疏阵组阵方法及应用，利用三个均匀直线阵组阵，通过设置大子阵阵元间距降低互耦影响，同时设置合理的子阵间距，可获得大孔径虚拟均匀直线天线阵，进而可以完成无模糊高精度的DOA估计。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一方面提出一种基于三均匀直线阵级联的稀疏阵组阵方法，包括：
设置三个天线子阵，分别为第一子阵、第二子阵和第三子阵，其中第一子阵是一个拥有M1阵元和子阵间距为d1的均匀直线阵，第二子阵是一个拥有M2阵元和子阵间距为d2的均匀直线阵，第三子阵是一个拥有M3阵元和子阵间距为d3的均匀直线阵；第二子阵的第一个阵元与第一子阵的第一个阵元的间距为L1，第三子阵的第一个阵元与第一子阵的第一个阵元的间距为L2。
进一步地，所述三个天线子阵的阵列阵元位置为
Figure BDA0003986163360000021
Figure BDA0003986163360000022
其中，
Figure BDA0003986163360000023
分别表示第一子阵阵列、第二子阵阵列、第三子阵阵列，m1,m2,m3为整数。/>
进一步地，当总阵元数M＝M1+M2+M3固定时，阵列相关参数设置为：
Figure BDA0003986163360000024
其中，
Figure BDA0003986163360000025
r、β为简化公式而定义的中间参数，/>
Figure BDA0003986163360000026
分别表示向下与向上取整；d表示子阵阵元间距的基本单元。
本发明另一方面提出任一所述的一种基于三均匀直线阵级联的稀疏阵组阵方法得出的三个天线子阵组成的稀疏阵在DOA估计中的应用。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明改进了现有三均匀直线阵级联中三子阵的阵元位置，构造一个基于三均匀直线阵级联的低互耦阵列，实现差集合中小于子阵阵元间距的元素权值为1的优化目标，有效改善了现有稀疏阵型阵元间存在的互耦泄漏现象，在保证了低互耦的同时，保证了连续虚拟阵列孔径。在强互耦条件下，本发明阵型可获得最高的DOA估计精度，同时，随着互耦强度的增加，具有较好的鲁棒性。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于三均匀直线阵级联的稀疏阵组阵方法构建的天线阵列结构图；
图2为本发明实施例权值函数分布图；
图3为本发明实施例在不同强度互耦干扰下的互耦泄漏值变化趋势图；
图4为本发明实施例应用关键步骤流程图。
具体实施方式
为了便于理解，对本发明的具体实施方式中出现的部分名词作以下解释说明：
波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计：空间多传感器阵列所构成的处理系统对感兴趣的空间信号的多种参数进行估计。
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：
本发明提供了一种基于三均匀直线阵级联的稀疏阵组阵方法，构建的阵列结构如图1所示，其中子阵1是一个拥有M1阵元和子阵间距为d1的均匀直线阵。子阵2是一个拥有M2阵元和子阵间距为d2的均匀直线阵。子阵3是一个拥有M3阵元和子阵间距为d3的均匀直线阵。子阵2第一个阵元与子阵1第一个阵元的间距为L1，子阵3第一个阵元与子阵1第一个阵元的间距为L2。因此，本发明的阵列阵元位置为
Figure BDA0003986163360000031
Figure BDA0003986163360000032
/>
其中，
Figure BDA0003986163360000033
分别表示第一子阵阵列、第二子阵阵列、第三子阵阵列，m1,m2,m3为整数。
当总阵元数M＝M1+M2+M3固定时，定义
Figure BDA0003986163360000034
其中/>
Figure BDA0003986163360000035
分别表示向下与向上取整，r、β为简化公式而定义的中间参数，则阵列相关参数设置为：
Figure BDA0003986163360000036
其中，d表示子阵阵元间距的基本单元。
为验证本发明效果，进行如下证明：
1.构造大孔径虚拟均匀直线阵列，虚拟阵列数目远大于物理阵元数。
定义物理阵列
Figure BDA0003986163360000041
与虚拟阵列/>
Figure BDA0003986163360000042
的映射关系为
Figure BDA0003986163360000043
假设阵元数为M＝16,d＝1，则
Figure BDA0003986163360000044
因而
Figure BDA0003986163360000045
中可获得从-75至75的连续元素，从而构造一个151阵元的虚拟直线阵，虚拟阵元数目远大于物理阵元数，较均匀直线阵而言，所构造的阵列孔径更大。
2.大阵元间距的子阵保证阵列抗互耦干扰能力强，拥有较小的互耦泄漏值。为定量衡量互耦干扰的影响，给出当前广泛认同的量化标准。首先定义
Figure BDA0003986163360000049
的权值函数w(l)：
Figure BDA0003986163360000046
其中<·>表示值l在集合
Figure BDA0003986163360000047
中的元素个数。
然后，定义互耦矩阵C，C是一个M×M的矩阵，其中，C的第m行第n列的元素可表示为：
Figure BDA0003986163360000048
且c0＝1>|c1|>…|cB|。
再定义互耦泄漏Le，其表达式为：
Le＝||C-diag(C)||F/||C||F
其中，diag(C)表示构造对角阵，其对角线元素为C对角线元素，||·||F表示一个矩阵的Frobenius范数。互耦泄漏值越低，阵列受到互耦的影响越小，并且由互耦矩阵的定义可知，当l≤B时，w(l)值越小，C的F范数值越低，互耦泄漏也会越低。
同理，假设阵元数为M＝16,d＝1,B＝3，则权值分布如图2所示。图2中展示小阵元间距的权值为1，权值函数取得最优解。
若c1＝cejπ/6,cb＝c1e-jπ(b-1)/6/b，则互耦泄漏值随c变化图如图3所示。与标准均匀直线阵相比，本发明随着互耦强度增强，互耦泄漏值一直处于较低的值域范围。
在上述实施例的基础上，本发明还提出任一所述的一种基于三均匀直线阵级联的稀疏阵组阵方法得出的三个天线子阵组成的稀疏阵在DOA估计中的应用，应用关键步骤流程如图4所示。
综上，本发明改进了现有三均匀直线阵级联中三子阵的阵元位置，构造一个基于三均匀直线阵级联的低互耦阵列，实现差集合中小于子阵阵元间距的元素权值为1的优化目标，有效改善了现有稀疏阵型阵元间存在的互耦泄漏现象，在保证了低互耦的同时，保证了连续虚拟阵列孔径。在强互耦条件下，本发明阵型可获得最高的DOA估计精度，同时，随着互耦强度的增加，具有较好的鲁棒性。
以上所示仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于三均匀直线阵级联的稀疏阵组阵方法，其特征在于，包括：
设置三个天线子阵，分别为第一子阵、第二子阵和第三子阵，其中第一子阵是一个拥有M1阵元和子阵间距为d1的均匀直线阵，第二子阵是一个拥有M2阵元和子阵间距为d2的均匀直线阵，第三子阵是一个拥有M3阵元和子阵间距为d3的均匀直线阵；第二子阵的第一个阵元与第一子阵的第一个阵元的间距为L1，第三子阵的第一个阵元与第一子阵的第一个阵元的间距为L2。
2.根据权利要求1所述的一种基于三均匀直线阵级联的稀疏阵组阵方法，其特征在于，所述三个天线子阵的阵列阵元位置为
Figure FDA0003986163350000011
Figure FDA0003986163350000012
其中，
Figure FDA0003986163350000013
分别表示第一子阵阵列、第二子阵阵列、第三子阵阵列，m1,m2,m3为整数。
3.根据权利要求2所述的一种基于三均匀直线阵级联的稀疏阵组阵方法，其特征在于，当总阵元数M＝M1+M2+M3固定时，阵列相关参数设置为：
Figure FDA0003986163350000014
其中，
Figure FDA0003986163350000015
r、β为简化公式而定义的中间参数，/>
Figure FDA0003986163350000016
分别表示向下与向上取整；d表示子阵阵元间距的基本单元。
4.权利要求1-3任一所述的一种基于三均匀直线阵级联的稀疏阵组阵方法得出的三个天线子阵组成的稀疏阵在DOA估计中的应用。
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