非均匀阵列设计和波达方向估计方法技术

本发明专利技术公开了一种非均匀阵列设计和波达方向估计方法，主要解决现有技术布阵不灵活，计算复杂度较高的问题；其实现过程是：根据嵌套阵列最大自由度确定非均匀阵列首、尾位置系数；计算满足非均匀阵列差合矩阵

Nonuniform Array Design and DOA Estimation Method

【技术实现步骤摘要】
非均匀阵列设计和波达方向估计方法
本专利技术属于阵列信号处理
，尤其涉及一种非均匀阵列设计和波达方向估计方法，通过灵活布阵，对多个空域目标源进行波达方向估计。
技术介绍
在现代阵列信号处理领域中，波达方向估计(以下简称DOA估计)占有一个重要地位，传统DOA估计主要通过MUSIC方法、ESPRIT方法及其衍生方法进行。对于一个总阵元数为N的均匀线性阵列，采用传统DOA估计方法所能识别的最大空域目标个数为N-1个。在实际中，空域目标个数大于阵元数情况时有发生，采用少于目标个数的均匀线性阵列的传统DOA估计方法将失效。因此，空域目标个数大于阵元数的DOA估计被许多学者广泛研究，最近提出的嵌套阵列和互质阵列通过合理布阵构造一等效的虚拟阵列，提高阵列自由度(Degreeoffreedom，DOF)，通过利用虚拟阵列而不是原始阵列来进行DOA估计。嵌套阵列是由两个或多个具有不同阵元间隔的线性子阵组成，由它构造的虚拟阵列是一个完全填充的均匀线性阵列，但其第一个子阵阵元间距通常较小(阵元排布密度较大)，会引起阵元间的互耦问题。互质阵列是由两个阵元数分别为M、N的均匀线性子阵组成，其中M、N为互质整数，虽然互质阵列能获得多余阵元数的自由度DOF，但其构造的虚拟阵列不是一个完全填充的均匀线性阵列，导致在DOA估计时，只能利用互质阵列构造的虚拟阵列的一部分，这就带来了自由度和阵列孔径的降低。由于嵌套阵列、互质阵列每个子阵均由均匀线性子阵组成，这就导致在机载雷达或物理空间受限的情况下，时常出现无法为其子阵阵元安装找到合理位置的问题，同时关于非均匀阵列提出的新算法，专利技术名称为基于嵌套式子阵阵列的波达方向估计方法，公开(公告)号：CN105824002A，提出的对数据协方差矩阵特征分解后利用MUSIC算法谱峰搜索进行DOA估计；以及专利技术名称为嵌套阵列基于K-R子空间的波达方向估计方法，公开(公告)号：CN107544051A，提出的稀疏信号重构法利用了信号谱的稀疏性来进行DOA估计；这两种方法在进行DOA估计时，通常需要巨大的计算量。本专利技术的目的在于克服上述已有非均匀阵列以及DOA估计方法不足，设计一种新的非均匀阵列和波达方向估计方法，该非均匀阵列无需由均匀子阵列组成，且其生成的虚拟阵列是一个完全填充的均匀线性阵列，同时为降低计算量，通过构造一线性算子得到信号子空间进行DOA估计。本专利技术在保证可识别的空域目标个数大于阵元数前提下，提高了布阵的灵活性，降低DOA估计运算量。
技术实现思路
为实现上述目的，本专利技术的技术思路是：根据嵌套阵列经过最优布阵获取阵列最大自由度(最多虚拟阵元个数)思想，来确定非均匀阵列第一个阵元和最后一个阵元位置系数，通过计算非均匀阵列其余阵元位置系数，构造非均匀阵列；对非均匀阵列构造的虚拟差分合成阵列去冗余、排序得到虚拟阵列；构造线性算子，根据虚拟阵列进行DOA估计。其实现方案包括如下：1)构造非均匀阵列：1a)根据嵌套阵列最大自由度DOF确定非均匀阵列位置系数x1和xN；假定非均匀阵列阵元位置为：D＝[d1，d2，...，dn，...，dN]＝d×[x1，x2，...，xn，...，xN]根据嵌套阵列构造的虚拟阵列：DULA＝[-(N2(N1+1)-1)d，...，0，...，(N2(N1+1)-1)d]获取最大自由度DOF＝2N2(N1+1)-1，得到非均匀阵列位置系数则本专利技术阵列阵元位置为其中d为阵元间隔，取值为入射信号最小半波长；N1与N2为嵌套阵列子阵阵元个数，N1＝N2＝N/2；xn表示非均匀阵列第n个阵元的位置系数，n＝1，2，...，N，N为总阵元数；元素为{1～(xN-1)}的随机递增互异整数；1b)计算满足非均匀阵列差合矩阵中包含所有虚拟阵元位置的位置系数为保证本专利技术阵列在差合处理之后包含所有的虚拟阵元位置，且与嵌套阵列自由度一致，构造一向量P＝[D，D，...，D]，向量P由N个D按行排列组成，再构造另一矩阵即矩阵为非均匀阵列产生的差合矩阵：矩阵为反对称矩阵，只研究其上三角形元素即可，将其按行排布得到一个行向量公式如下：为使非均匀阵列位置所产生的虚拟差合阵列是完备的，即包含所有虚拟阵元位置，构造的差合矩阵所对应的中应包含个不同元素；1c)根据位置系数获取非均匀阵列阵元位置；在1a)中，随机从{1～(xN-1)}中选取N-2个互异递增数构成得到一组均匀阵列阵元位置D，进行迭代，当D中阵元位置满足1b)中的差合矩阵所对应中包含个不同值即可停止迭代，否则继续从1a)选取一组阵元位置，进行迭代，直至满足迭代停止条件，退出迭代，最终得到阵元位置2)根据所设计非均匀阵列得到接收数据X，进而得到数据协方差矩阵Rx，向量化该协方差矩阵，得到虚拟差分合成阵列接收数据r；3)根据虚拟差分合成阵列接收数据r，对r进行去冗余、排序操作，最终得到虚拟阵列接收数据4)根据虚拟阵列接收数据构造选择矩阵Jz对进行秩恢复操作得到满秩矩阵V；5)根据虚拟阵列的满秩矩阵V，构造一线性算子Q，通过估计线性算子Q得到信号子空间ES；6)基于旋转因子不变法的思想定义两个选择矩阵Jg1和Jg2，获得ES1和ES2，通过ES1和ES2的相位关系获得旋转矩阵Φ，最后通过旋转矩阵估计波达方向本专利技术与现有阵列结构相比较有如下优点：1.本专利技术阵列虽与嵌套阵列自由度相同，但比嵌套布阵、互质布阵方式更灵活，不需要由两个或多个均匀线性子阵构成，且可产生完全填充型均匀线性虚拟阵列进行DOA估计，更适于工程实现；2.本专利技术可满足在机载或者物理空间受限的环境下，从本专利技术中选取一种性能相同但却适合现场位置的非均匀阵列，进行灵活稀疏布阵，得到多余阵元数的自由度，扩大了阵列孔径，使得可估计的空域目标数远超过实际阵元数，具有更好的测角性能；3.本专利技术无需对数据协方差矩阵进行特征分解，也不需通过对整个空域角度进行谱峰搜索，通过构造线性算子Q得到信号子空间ES，利用旋转因子不变法思想便可得到信号的DOA估计值，解决了在采样点数增多、空域网格步长划分较细，使得特征分解以及普峰搜索运算量大、耗时长、实时性差的问题；4.本专利技术阵列为非均匀阵列，与传统均匀阵列相比，在阵列面积不变的情况下，能够有效减少阵元数目，降低成本，且阵元完全相同，更易于生产和降低成本。附图说明图1为本专利技术的三种六阵元非均匀阵列及虚拟阵列排布方式图；图2为六阵元二阶嵌套阵列及产生虚拟阵元阵列排布方式图；图3为本专利技术方法实现流程图；图4为本专利技术方法空域目标DOA估计散点图；图5为本专利技术和二阶嵌套阵、均匀线阵对DOA估计均方根误差与信噪比关系比较图；具体实施方式为了让本专利技术的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本专利技术实施例，并配合所附图示，做详细说明如下：参照图1为本专利技术三种六阵元非均匀阵列及产生虚拟阵列排布方式图，从图1可看到存在多种满足迭代条件的阵元位置系数即存在多种阵元排布方式，要说明的是，嵌套阵列排布只是本专利技术阵列的一个子集；参照图2为六阵元二阶嵌套阵列及产生虚拟阵元阵列排布方式图，本专利技术的非均匀阵列与嵌套阵列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，二者虚拟阵列的最大自由度DOF相同。因此，本专利技术阵列具有嵌套阵列的优点，不仅可识别多于阵元数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非均匀阵列设计和波达方向估计方法，包含以下步骤：1)构造非均匀阵列：1a)根据嵌套阵列最大自由度DOF，确定非均匀阵列位置系数x1和xN；假定非均匀阵列阵元位置为：D＝[d1，d2，...，dn，...，dN]＝d×[x1，x2，...，xn，...，xN]根据嵌套阵列构造的虚拟阵列DULA＝[‑(N2(N1+1)‑1)d，...，0，...，(N2(N1+1)‑1)d]获取最大自由度DOF＝2N2(N1+1)‑1，得到非均匀阵列位置系数x1＝0，

【技术特征摘要】
1.一种非均匀阵列设计和波达方向估计方法，包含以下步骤：1)构造非均匀阵列：1a)根据嵌套阵列最大自由度DOF，确定非均匀阵列位置系数x1和xN；假定非均匀阵列阵元位置为：D＝[d1，d2，...，dn，...，dN]＝d×[x1，x2，...，xn，...，xN]根据嵌套阵列构造的虚拟阵列DULA＝[-(N2(N1+1)-1)d，...，0，...，(N2(N1+1)-1)d]获取最大自由度DOF＝2N2(N1+1)-1，得到非均匀阵列位置系数x1＝0，则本发明阵列阵元位置为其中d为阵元间隔，取值为入射信号的最小半波长；N1与N2为嵌套阵列子阵阵元个数，N1＝N2＝N/2；xn表示非均匀阵列第n个阵元的位置系数，n＝1，2，...，N，N为总阵元数；由{1～(xN-1)}的随机递增互异整数组成；1b)计算非均匀阵列差合矩阵中包含所有虚拟阵元位置的位置系数为保证本发明阵列在差合处理之后包含所有的虚拟阵元位置，且与嵌套阵列自由度一致，构造一向量P＝[D，D，...，D]，向量P由N个D按行排列组成，再构造另一矩阵即矩阵为非均匀阵列产生的差合矩阵：由于矩阵为反对称矩阵，故只研究其上三角元素即可，将其按行排布得到一个行向量如下：为使非均匀阵列位置所产生的虚拟差合阵列是完备的，即包含所有虚拟阵元位置，构造的差合矩阵所对应的中应包含个不同元素；1c)根据位置系数获取非均匀阵列阵元位置；在1a)中，随机从{1～(xN-1)}中选取N-2个互异递增数构成得到一组均匀阵列阵元位置D，进行迭代，当D中阵元位置满足1b)中的差合矩阵所对应中包含个不同值即可停止迭代，否则继续从1a)选取一组阵元位置，进行迭代，直至满足迭代停止条件，退出迭代，最终得到阵元位置2)根据所设计非均匀阵列得到接收数据X，进而得到数据协方差矩阵Rx，向量化该协方差矩阵，得到虚拟差分合成阵列接收数据r；3)根据虚拟差分合成阵列接收数据r，对r进行去冗余、排序操作，最终得到虚拟阵列接收数据4)根据虚拟阵列接收数据构造选择矩阵Jz对进行秩恢复操作得到满秩矩阵V；5)根据虚拟阵列的满秩矩阵V，构造一线性算子Q，通过估计线性算子Q得到信号子空间ES；6)基于旋转因子不变法的思想定义两个选择矩阵Jg1和Jg2，获得ES1和ES2，通过ES1和ES2的相位关系获得旋转矩阵Φ，最后通过旋转矩阵估计波达方向2.根据权利要求1所述的非均匀阵列设计和波达方向估计方法，其中步骤2)中的虚拟差分合成阵列接收数据r，按如下步骤计算：2.1)根据非均匀阵列接收数据X，估计得到数据协方差矩阵Rx：其中，L表示快拍数，X∈CN×L，Rx∈CN×N，(·)H表示共轭转置；2.2)根据数据协方差矩阵Rx，计算虚拟差分合成阵列接收数据r∈N2×1：r＝vec(Rx)其中vec(·)表示对矩阵进行向量化操作。3.根据权利要求1所述的非均匀阵列设计和波达方向估计方法，其中步骤3)中的虚拟阵列数据接收矩阵按如下步骤计算：接收数据r中包含噪声，无法直接对r进...

【专利技术属性】
技术研发人员：王兰美，惠哲，张耿，王桂宝，廖桂生，孙长征，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，陕西理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61