分布式超级嵌套天线阵列及其获取目标方位的方法技术

分布式超级嵌套天线阵列及其获取目标方位的方法，属于阵列信号处理与天线技术领域。解决了现有天线单元之间的距离远小于半个波长时,天线单元之间的相互耦合非常严重的问题，本发明专利技术的阵列包括两个相同的超级嵌套子阵列：每个超级嵌套子阵列包括两级嵌套单元，当阵元间距在六分之一波长到半波长的范围内，通过重新分配分布式嵌套阵列的密集子阵列，扩大密集子阵列的阵元天线之间的间距来降低天线单元之间的相互耦合，并且具有分布式嵌套阵列的良好特性，有效提高DOA估计的精度。本发明专利技术适用于阵列信号处理。用于阵列信号处理。用于阵列信号处理。

【技术实现步骤摘要】
分布式超级嵌套天线阵列及其获取目标方位的方法


[0001]本专利技术属于阵列信号处理与天线


技术介绍

[0002]阵列的孔径和天线单元之间的相互耦合是影响DOA(direction
‑
of
‑
arrival波达方向)估计精度的两个重要因素。在阵列信号处理中，电磁特性导致天线之间相互耦合，使天线响应相互干扰，导致DOA估计精度下降。因此，需要增大阵列孔径，减少天线单元之间的相互耦合，以提高DOA估计的精度。分布式天线阵列通常由多个基线长度较大的子阵列组成，它可以有效增大阵列的孔径，显著提高参数估计精度，但不能增加可检测源信号的数量。
[0003]稀疏阵列，例如最小冗余阵列、互质阵列和嵌套阵列等，能够显著增加自由度来提高可分辨源信号的数量。因此，结合分布式阵列和稀疏阵列的优点，对分布式稀疏阵列进行了大量研究，以提高DOA估计精度和增加可检测源信号的数量。目前研究较多的分布式稀疏阵列是分布式嵌套阵列，但该阵列包含密集的均匀线性阵列，当天线之间相互耦合的影响不可忽略时，就会对参数的估计产生不利影响。为了获得高的距离分辨率，雷达一般都工作在较宽的频带，为了满足空间采样定理，天线单元之间的间距通常小于或等于半个波长。因此，天线单元之间的间距通常等于最高工作频率波长的一半。然而，当雷达工作在低频点时，天线单元之间的距离远小于半个波长，因此天线单元之间的相互耦合变得非常严重。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的是为了解决现有天线单元之间的距离远小于半个波长时,天线单元之间的相互耦合非常严重的问题，提出了一种分布式超级嵌套天线阵及其获取目标方位的方法。
[0005]本专利技术所述一种分布式超级嵌套天线阵列，该阵列包括两个相同的超级嵌套子阵列：每个超级嵌套子阵列包括两级嵌套单元；两级嵌套单元的分布均满足：
[0006][0007][0008][0009][0010][0011][0012][0013]其中，S
′
(2)
表示超级嵌套子阵列的天线位置集合，表示一级左侧天线位置集
合,表示一级右侧天线位置集合,表示二级左侧天线位置集合，表示二级右侧天线位置集合，表示长间距天线位置集合，表示补充天线位置集合，l为整数，N1表示一级嵌套阵列的阵元数、N2表示二级嵌套阵列的阵元数；参数a1，b1，a2和b2表示为：
[0014][0015]其中，r为正整数。
[0016]进一步地，本专利技术中，N1＝N2＝5。
[0017]基于分布式超级嵌套天线阵列获取目标方位的方法，该方法包括：
[0018]步骤一：采用分布式超级嵌套天线阵列对雷达回波信号接收，对接收信号进行采样，获得接收信号的采样信号X(t)；
[0019]步骤二：利用采样信号X(t)，得到协方差矩阵R；
[0020]步骤三：对协方差矩阵R进行矢量化、去冗余和重新排列处理，获得协同阵列的等效接收信号z1；
[0021]步骤四：利用协同阵列的等效接收信号z1，构造空间平滑矩阵
[0022]步骤五：对空间平滑矩阵进行特征值分解，采用多尺度旋转不变子空间算法，对目标源的方位角进行估计。
[0023]进一步地，本专利技术中，步骤一中，获得的接收信号的采样信号X(t)为：
[0024][0025]其中，表示阵列流形矩阵，S(t)表示信号矢量，N(t)为零均值加性高斯白噪声矢量，C表示互耦矩阵，A为导向矢量矩阵；
[0026]互耦矩阵使用一种简化模型计算，公式为：
[0027][0028]其中，N是天线的总数，n1和n2表示第n1和n2个天线，n1和n2为1到N区间的任意正整数，表示第n1个天线到参考天线的距离，表示第n2个天线到参考天线的距离，c0表示天线阵元自身的互耦系数，c1表示两个天线阵元间距为d时的互耦系数，c2表示两个天线阵元间距为2d时的互耦系数，c
B
‑1表示两个天线阵元间距为(B
‑
1)d时的互耦系数，c
k
表示两个天线阵元间距为kd时的互耦系数,c
l
表示两个天线阵元间距为ld时的互耦系数,l，k表示1到B
‑
1区间的任意正整数，B表示天线放置的最大位置。
[0029]进一步地，本专利技术中，步骤二中，协方差矩阵R为：
[0030][0031]其中，E{
·
}表示数学期望，上角标H表示共轭转置，表示阵列流形矩阵，表示噪声功率，R
s
为源信号的协方差矩阵，I表示单位矩阵。
[0032]进一步地，本专利技术中，步骤三中，等效接收信号z1：
[0033][0034]其中，是正中间元素为1，其他元素均为0的列向量，A1＝[a1(θ1),a1(θ2),
…
,a1(θ
K
)]，)]，M表示协同阵列的每个子阵列的阵元的个数，M表示协同阵列的每个子阵列的阵元的个数，表示超级嵌套子阵列的阵元个数。θ
k
表示第k个目标源信号方位角，k＝1,2,...,K，λ表示载频波长，Φ相位差分矩阵，Φ
*
表示相位差分矩阵的共轭，p表示源信号的功率，表示噪声功率。
[0035]本专利技术所述天线阵列，当阵元间距在六分之一波长到半波长的范围内，通过重新分配分布式嵌套阵列的密集子阵列，扩大密集子阵列的阵元天线之间的间距来降低天线单元之间的相互耦合，并且具有分布式嵌套阵列的良好特性。提高DOA估计的精度，显著增加可分辨源信号的数量，并且其阵列结构易于实现。
附图说明
[0036]图1是分布式二级超级嵌套阵列的排列结构示意图；
[0037]图2是超级嵌套子阵列的二维表示图；
[0038]图3是不考虑阵元间互耦，d＝λ/6，基线长度为63倍波长，采用本专利技术所述天线阵列与现有天线阵列的仿真结果对比图；
[0039]图4是考虑阵元间互耦，d＝λ/6，基线长度为63倍波长，采用本专利技术所述天线阵列与现有天线阵列的仿真结果对比图；
[0040]图5是不考虑阵元间互耦，d＝7λ/24，基线长度为260倍波长，采用本专利技术所述天线阵列与现有天线阵列的仿真结果对比图；
[0041]图6是考虑阵元间互耦，d＝7λ/24，基线长度为260倍波长，采用本专利技术所述天线阵列与现有天线阵列的仿真结果对比图；
[0042]图7是不考虑阵元间互耦，d＝λ/2，基线长度为1500倍波长，采用本专利技术所述天线阵列与现有天线阵列的仿真结果对比图；
[0043]图8是考虑阵元间互耦，d＝λ/2时基线长度为1500倍波长，采用本专利技术所述天线阵列与现有天线阵列的仿真结果对比图；
[0044]图9是RMSE随着源信号数量变化的仿真结果图；
[0045]图10是分布式超级嵌套阵列的协同阵列示意图，图中，ULA1表示协同阵列的均匀子阵1，ULA2表示协同阵列的均匀子阵2，ULA3表示协同阵列的均匀子阵3。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.分布式超级嵌套天线阵列，其特征在于，该阵列包括两个相同的超级嵌套子阵列：每个超级嵌套子阵列包括两级嵌套单元；两级嵌套单元的分布均满足：元；两级嵌套单元的分布均满足：元；两级嵌套单元的分布均满足：元；两级嵌套单元的分布均满足：元；两级嵌套单元的分布均满足：元；两级嵌套单元的分布均满足：元；两级嵌套单元的分布均满足：其中，S
′
(2)
表示超级嵌套子阵列的天线位置集合，表示一级左侧天线位置集合,表示一级右侧天线位置集合,表示二级左侧天线位置集合，表示二级右侧天线位置集合，表示长间距天线位置集合，表示补充天线位置集合，l为整数，N1表示一级嵌套阵列的阵元数、N2表示二级嵌套阵列的阵元数；参数a1，b1，a2和b2表示为：其中，r为正整数。2.根据权利要求1所述的分布式超级嵌套天线阵列，其特征在于，N1＝N2＝5。3.基于分布式超级嵌套天线阵列获取目标方位的方法，该方法基于权利要求1所述的分布式超级嵌套天线阵列实现，其特征在于，该方法包括：步骤一：采用分布式超级嵌套天线阵列对雷达回波信号接收，对接收信号进行采样，获得接收信号的采样信号X(t)；步骤二：利用采样信号X(t)，得到协方差矩阵R；步骤三：对协方差矩阵R进行矢量化、去冗余和重新排列处理，获得协同阵列的等效接收信号z1；步骤四：利用协同阵列的等效接收信号z1，构造空间平滑矩阵步骤五：对空间平滑矩阵进行特征值分解，采用多尺度旋转不变子空间算法，对目标源的方位角进行估计。4.根据权利要求3所述的基于分布式超级嵌套天线阵列获取目标方位的方法，其特征在于，步骤一中，获得的接收信号的采样信号X(t)为：其中，表示阵列流形矩阵，S(t)表示信号矢量，N(t)为零均值加性高斯白噪声矢量，C表示互耦矩阵，A为导向矢量矩阵；互耦矩阵使用一种简...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴小川，邓维波，王洪永，索莹，张俊，
申请(专利权)人：中仪知联无锡工业自动化技术有限公司，
类型：发明
国别省市：