基于互质稀疏阵的无模糊测向方法技术

本发明专利技术是基于互质稀疏阵的无模糊测向方法。根据两条子阵接收的入射信号，分别对每条子阵进行波束形成，初步获取目标的基本方位信息；利用两条子阵的互质特性，对子阵输出进行共轭乘积处理，利用峰选初步消除模糊；在初步消除模糊的基础上，利用各子阵波束域输出的幅度信息，设置幅度阈值进行挑选，剔除栅瓣叠加产生的伪峰；在幅度挑选的基础上，利用各子阵波束域输出的相位信息，设置相位阈值进行挑选，剔除未被幅度挑选剔除的伪峰，从而得到真实目标方位估计结果。本发明专利技术能够提高对空间目标方位估计的可靠性和准确度，获得更高的分辨力；相比同孔径半波间距均匀直线阵列，能够显著减少阵元数量，具有较强的工程实用价值。

A direction finding method without fuzzy based on coprime sparse matrix

【技术实现步骤摘要】
基于互质稀疏阵的无模糊测向方法
本专利技术涉及无模糊测向
，是一种基于互质稀疏阵的无模糊测向方法。
技术介绍
传统波束形成及空间谱估计算法大多基于均匀阵列提出，其阵元间距需小于或等于入射信号半波长，导致阵列孔径受阵元数量的制约。对于均匀阵列而言，要获得高分辨率，必须要增加阵元数，由此导致了硬件成本高、阵列设计困难等问题。互质稀疏阵列对于上述问题具有显著优势。当阵元数量相同时，其具有更大的孔径与自由度，能够在测向精度和分辨率等方面提供更好的性能；在阵列孔径相同时，其所需物理阵元更少，意味着更小信号处理系统规模，从而降低成本；由于阵元间距的扩大，互耦效应大大降低，提高测向性能。尽管具有诸多优点，互质稀疏阵列由于空间欠采样，直接利用常规波束形成得到的空间谱会受到栅瓣干扰，严重影响估计效果。一般的互质稀疏阵列由具有互质特性的两条子阵1,2组成，在进行单目标测向时，子阵1对于目标进行波束形成，会得到许多位置不同的栅瓣；子阵2对于目标进行波束形成，也会得到许多位置不同的栅瓣。因为两条子阵之间具有互质特性，子阵1和子阵2波束形成产生的栅瓣位置不会重叠。因此，可以利用最小处理或乘积处理消除栅瓣模糊问题。然而，在利用互质稀疏阵列进行相干多目标测向时，上述处理将会产生问题。假设空间内存在目标1和目标2，当子阵1对目标1波束形成产生的栅瓣和子阵2对目标2波束形成产生的栅瓣重合叠加时，将会产生伪峰，且无法被消除；当子阵1对目标2波束形成产生的栅瓣和子阵2对目标1波束形成产生的栅瓣重合叠加时，也会产生伪峰，同样无法被消除。不失一般性，当空间内存在多个目标时，此问题依然存在。因此，传统的互质稀疏阵列处理方法将无法消除伪峰，从而导致模糊问题，影响真实目标波达方向估计结果。针对上述问题，设计互质直线阵列并提出一种能够完成无模糊测向的信号处理方法。互质稀疏阵列结构对于均匀半波长线阵具有诸多优势，所提出的信号处理方法，不仅能够准确地估计入射信号方位，还能够有效识别伪峰并消除模糊。因此，在利用互质稀疏阵进行相干多目标测向时，本专利技术具有较高的现实意义，能够有效的推动相关阵列信号处理算法在现实中的应用，节约成本，易于实现。
技术实现思路
本专利技术为解决互质直线阵列进行多目标测向时产生的模糊问题，本专利技术提供了一种基于互质稀疏阵的无模糊测向方法，本专利技术提供了以下技术方案：一种基于互质稀疏阵的无模糊测向方法，包括如下步骤：步骤一：设计阵列结构，设置两条子阵，使得阵元均匀排列，阵元间距彼此互质，获取目标基本方位信息；步骤二：将两条子阵各扫描方位的波束输出共轭相乘，得到互相关空间谱，对所述空间谱进行峰选，初步消除模糊；步骤三：根据两条子阵波束域输出的幅度信息，设置幅度阈值进行挑选，剔除伪峰值；步骤四：根据两条子阵波束域输出的相位信息，设置相位阈值进行挑选，剔除未在设置幅度阈值挑选中剔除的伪峰值，得到真实的目标测向结果。优选地，所述步骤一具体为：第一步：设置阵列结构，设置两条子阵，使得阵元均匀排列，阵元间距彼此互质，所述两条子阵的互质对为(M,N)，其中M和N为互为质数的正整数，且M,N≥2；两条子阵1和2的公共第一阵元位于坐标原点，以所述公共第一阵元作为参考阵元，通过α*N+1表示子阵1的阵元数量，通过α*M+1表示子阵2的阵元数量，α为阵列拓展因子，确定两条子阵在时刻t接收的信号，通过下式表示两条子阵的列矢量：其中，xαN+1(t)为子阵1的列矢量，xαM+1(t)为子阵2的列矢量，nαN+1(t)为子阵1各阵元在t时刻的噪声，nαM+1(t)为子阵2各阵元在t时刻的噪声，K为入射信号数量，ω0为接收信号频率，τ(αN+1)K为第K个信号到达子阵1各阵元相对于参考阵元的时延，τ(αM+1)K为第K个信号到达子阵2各阵元相对于参考阵元的时延，si(t)为在t时刻的接收信号复包络；第二步：将接收信号列矢量表示为矢量形式，通过下式表示矢量形式：N1(t)＝[n11(t),n12(t),...,n1(αN+1)(t)]T(3)N2(t)＝[n21(t),n22(t),...,n2(αM+1)(t)]T(4)S(t)＝[s1(t),s2(t),...,sK(t)]T(5)其中，X1(t)为子阵1的矢量，X2(t)为子阵2的矢量，A1和A2分别为两条子阵1和2的阵列流型矩阵，N1(t)为子阵1接收噪声矩阵，N2(t)为子阵2接收噪声矩阵，S(t)为接收信号的复包络矩阵；第三步：两条子阵1和2的公共第一阵元位于坐标原点，以所述公共第一阵元作为参考阵元，与任意一阵元的距离为D，根据几何关系推到出两条阵元1和2的时延差，通过下式表示所述时延差：τ＝D*sinθ/c(6)其中，τ为时延差，θ为方位角，c为声速；第四步：设定子阵i的权值为wi(θ)，计算子阵i的波束输出，通过下式表示子阵i的波束输出：其中，yi(θ)为子阵i的波束输出，H为共轭转置，Xi为子阵i的数据矩阵；根据常规波束形成取wi(θ)＝ai(θ)，在扫描范围内搜索，得到空间功率谱，通过下式表示空间功率谱：其中，Pi(θ)为空间功率谱，Rix为数据协方差矩阵，ai(θ)为导向矢量，通过有限快拍数的阵列接收信号对数据协方差矩阵进行估计，通过下式表示Rix：第四步：根据得到子阵1和2的空间功率谱，获得目标的方位信息。优选地，通过下式表示两条子阵1和2的阵列流型矩阵A1和A2：其中，a1K(ω0)为子阵1的导向矢量，a2K(ω0)为子阵2的导向矢量。优选地，通过下式计算子阵1和2的导向矢量：优选地，通过下式表示t时刻子阵i的接收信号复包络si(t)：其中，SNRi为si(t)的信噪比，fs为采样频率，为子阵i的接收信号，si(t)的初始相位。优选地，所述步骤二具体为：第一步:对两条子阵1和2进行共轭乘积处理，在每个扫描方位对不同子阵的波束输出进行互相关共轭运算，相乘最小化后为目标方位的空间谱输出，通过下式表示所述最小化后的目标方位空间谱输出：P(θ)＝min(|P1,2(θ)|,|P2,1(θ)|)(14)其中，y1(θ)，y2(θ)分别为两条子阵1和2的波束输出，P1,2(θ)和P2,1(θ)为共轭互相关空间谱，P(θ)为最小化后的目标方位空间谱，T为转置；第二步：对P(θ)进行峰选，得到m个初始测向范围θ1,θ2,...,θm，初步消除模糊。优选地，所述步骤三具体为：第一步：当空间中存在目标1和目标2，其入射方向分别为θ1和θ2，利用子阵1对目标1波束形成，所获得谱峰位置为真实目标位置θ1和若干栅瓣位置θ1g1,θ1g2,...,θ1gu，其中u为正整数；利用子阵2对目标2波束形成，所获得谱峰位置为真实目标位置θ2和若干栅瓣位置θ2g1,θ2g2,...,θ2gv，其中v为正整数；当栅瓣θ1gu和栅瓣θ2gv重合叠加时，产生伪峰θf，且无法被消除；当子阵1对目标2波束形成产生的栅瓣和子阵2对目标1波束形成产生的栅瓣叠加时，产生伪峰，同样无法被消除；当空间内存在多个目标时，存在伪峰，且随着目标数增加，伪峰数量不断增加，在空间谱上大小各异，较大的伪峰将淹没相同位置较小的信号；第二步：位于不同方位的不同信源到达参考阵元处的相位不同，对于每条子阵的波束域输出，其包含目标方位信号波形，通过下式表示子阵1和2的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于互质稀疏阵的无模糊测向方法，其特征是：包括如下步骤：步骤一：设计阵列结构，设置两条子阵，使得阵元均匀排列，阵元间距彼此互质，获取目标基本方位信息；步骤二：将两条子阵各扫描方位的波束输出共轭相乘，得到互相关空间谱，对所述空间谱进行峰选，初步消除模糊；步骤三：根据两条子阵波束域输出的幅度信息，设置幅度阈值进行挑选，剔除伪峰值；步骤四：根据两条子阵波束域输出的相位信息，设置相位阈值进行挑选，剔除未在设置幅度阈值挑选中剔除的伪峰值，得到真实的目标测向结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于互质稀疏阵的无模糊测向方法，其特征是：包括如下步骤：步骤一：设计阵列结构，设置两条子阵，使得阵元均匀排列，阵元间距彼此互质，获取目标基本方位信息；步骤二：将两条子阵各扫描方位的波束输出共轭相乘，得到互相关空间谱，对所述空间谱进行峰选，初步消除模糊；步骤三：根据两条子阵波束域输出的幅度信息，设置幅度阈值进行挑选，剔除伪峰值；步骤四：根据两条子阵波束域输出的相位信息，设置相位阈值进行挑选，剔除未在设置幅度阈值挑选中剔除的伪峰值，得到真实的目标测向结果。2.根据权利要求1所述的一种基于互质稀疏阵的无模糊测向方法，其特征是：所述步骤一具体为：第一步：设置阵列结构，设置两条子阵，使得阵元均匀排列，阵元间距彼此互质，所述两条子阵的互质对为(M,N)，其中M和N为互为质数的正整数，且M,N≥2；两条子阵1和2的公共第一阵元位于坐标原点，以所述公共第一阵元作为参考阵元，通过α*N+1表示子阵1的阵元数量，通过α*M+1表示子阵2的阵元数量，α为阵列拓展因子，确定两条子阵在时刻t接收的信号，通过下式表示两条子阵的列矢量：其中，xαN+1(t)为子阵1的列矢量，xαM+1(t)为子阵2的列矢量，nαN+1(t)为子阵1各阵元在t时刻的噪声，nαM+1(t)为子阵2各阵元在t时刻的噪声，K为入射信号数量，ω0为接收信号频率，τ(αN+1)K为第K个信号到达子阵1各阵元相对于参考阵元的时延，τ(αM+1)K为第K个信号到达子阵2各阵元相对于参考阵元的时延，si(t)为在t时刻的接收信号复包络；第二步：将接收信号列矢量表示为矢量形式，通过下式表示矢量形式：N1(t)＝[n11(t),n12(t),...,n1(αN+1)(t)]T(3)N2(t)＝[n21(t),n22(t),...,n2(αM+1)(t)]T(4)S(t)＝[s1(t),s2(t),...,sK(t)]T(5)其中，X1(t)为子阵1的矢量，X2(t)为子阵2的矢量，A1和A2分别为两条子阵1和2的阵列流型矩阵，N1(t)为子阵1接收噪声矩阵，N2(t)为子阵2接收噪声矩阵，S(t)为接收信号的复包络矩阵；第三步：两条子阵1和2的公共第一阵元位于坐标原点，以所述公共第一阵元作为参考阵元，与任意一阵元的距离为D，根据几何关系推到出两条阵元1和2的时延差，通过下式表示所述时延差：τ＝D*sinθ/c(6)其中，τ为时延差，θ为方位角，c为声速；第四步：设定子阵i的权值为wi(θ)，计算子阵i的波束输出，通过下式表示子阵i的波束输出：其中，yi(θ)为子阵i的波束输出，H为共轭转置，Xi为子阵i的数据矩阵；根据常规波束形成取wi(θ)＝ai(θ)，在扫描范围内搜索，得到空间功率谱，通过下式表示空间功率谱：其中，Pi(θ)为空间功率谱，Rix为数据协方差矩阵，ai(θ)为导向矢量，通过有限快拍数的阵列接收信号对数据协方差矩阵进行估计，通过下式表示Rix：第四步：根据得到子阵1和2的空间功率谱，获得目标的方位信息。3.根据权利要求2所述的一种基于互质稀疏阵的无模糊测向方法，其特征是：通过下式表示两条子阵1和2的阵列流型矩阵A1和A2：其中，a1K(ω0)为子阵1的导向矢量，a2K(ω0)为子阵2的导向矢量。4.根据权利要求3所述的一种基于互质稀疏阵的无模糊测向方法，其特征是：通过下式计算子阵1和2的导向矢量：5.根据权利要求1所述的一种基于互质稀疏阵的无模糊测向方法，其特征是：通过下式表示t时刻子阵i的接收信号复包络si(t)：其中，SNRi为si(t)的信噪比，fs为采样频率，为子阵i的接收信号，si(t)的初始相位。6.根据权利要求1所述的一种基于互质稀疏阵的无模糊测向方法，其特征是：所述步骤二具体为：第一步:对两条子阵1和2进行共轭乘积处理，在每个扫描方位对不...

【专利技术属性】
技术研发人员：王逸林，兰天，邱龙皓，邹男，王燕，梁国龙，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23