一种基于时空调制超表面的DOA估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于时空调制超表面的DOA估计方法，该方法为：首先设计超表面的调制时序，运用傅里叶变换理论，建立时空调制超表面系统的接收信号模型；然后利用发射喇叭天线照射超表面，在超表面法线方向上放置接收喇叭，获取边带信号；接着利用信号模型中的解析关系和时空调制矩阵，恢复出含有方位角信息的基带信号；最后对基带信号的协方差矩阵进行秩恢复处理后，计算来波信号的入射角度。本发明专利技术具有硬件结构简单、实现成本低、灵活性和有效性高、计算精度高、抗噪性能强，并且能进行多信源DOA估计的优点。源DOA估计的优点。源DOA估计的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于时空调制超表面的DOA估计方法


[0001]本专利技术涉及超表面
，特别是一种基于时空调制超表面的DOA估计方法。

技术介绍

[0002]DOA估计是无线电导航系统、卫星动中通(SOTM)、智能天线系统等领域的一项重要技术。许多传统的DOA估计技术，如MUSIC算法、旋转不变子空间(ESPRIT)算法、子空间拟合算法等，已经被广泛应用。然而，这些方法由于阵列天线复杂的硬件系统而受到限制。与此同时，电磁超表面的出现为传统工程应用提供了新的视角，引起了多学科研究人员的关注。
[0003]利用超表面技术可以控制电磁波的相位、幅值和极化等电磁特性，通过在超表面单元中集成非线性有源器件，如PIN二极管、变容二极管等，获得动态可控性，为实现时空调制提供了可能性。已有的技术，如倪刚等(Ni,Gang,et al."Direction Finding and Performance Analysis With 1bit Time Modulated Array."IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.69,no.10,pp.6881
‑
6893,October 2021)提出的时间调制天线测向技术，虽然减少了接收信道，但仍需要功分器，移相器等构成的复杂硬件系统；戴俊彦等(Dai,Jun Yan,et al."Simultaneous In
‑
situ Direction Finding and Field Manipulation Based on Space
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Time
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Coding Digital Metasurface."IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2022.)提出的基于时空调制超表面的测向技术，利用谐波间的解析关系进行DOA估计，虽然简化了系统，但抗噪声能力差，且无法进行多源DOA估计。因此亟需研究一种具有低复杂度硬件系统的高抗噪多源DOA估计方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于提出一种结构简单、硬件成本低、灵活性和有效性高、抗噪性能强、能进行多信源DOA估计的DOA估计方法。
[0005]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于时空调制超表面的DOA估计方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1、设计超表面的调制时序，运用傅里叶变换理论，建立时空调制超表面系统的接收信号模型；
[0007]步骤2、利用发射喇叭天线照射超表面，在超表面法线方向上放置接收喇叭天线，获取边带信号；
[0008]步骤3、利用信号模型中的解析关系和时空调制矩阵，恢复出含有方位角信息的基带信号；
[0009]步骤4、对基带信号的协方差矩阵进行秩恢复处理后，计算来波信号的入射角度。
[0010]本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)所需的硬件系统相较于传统阵列天线更为简单，节省了更多的成本；(2)该方法适用于多种DOA估计算法，具有比较高的灵活性和有效性；(3)在信号后处理时引入了DOA估计算法，提高了抗噪性能，并且能进行多信源DOA估计。
附图说明
[0011]图1为本专利技术一种基于时空调制超表面的DOA估计方法的流程示意图。
[0012]图2为本专利技术实施例中基于时空调制超表面的DOA估计系统的结构示意图。
[0013]图3为本专利技术实施例中用于构成时空调制超表面系统的单元结构及工作状态示意图，其中(a)为单元结构示意图，(b)为二极管通、断状态下的透射系数曲线图。
[0014]图4为本专利技术实施例中用于DOA估计的时空调制超表面的电路层面和调制信号层面的设计，其中(a)为超表面阵列结构示意图，(b)为时空调制序列示意图。
[0015]图5为本专利技术实施例中的时空调制超表面DOA样机系统实物图。
[0016]图6为本专利技术实施例中的实验测试结果、全波仿真结果和理论值的对比图。
[0017]图7为本专利技术实施例中的数值仿真结果曲线图，其中(a)为信噪比为10dB时不同入射角的DOA估计均方误差曲线图，(b)为入射角为20
°
时不同信噪比的DOA估计均方误差曲线图，(c)为两个相干信源入射时的DOA估计结果曲线图。
具体实施方式
[0018]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细描述。
[0019]结合图1，本专利技术一种基于时空调制超表面的DOA估计方法，包括以下步骤：
[0020]一种基于时空调制超表面的DOA估计方法，包括以下步骤：
[0021]步骤1、设计超表面的调制时序，运用傅里叶变换理论，建立时空调制超表面系统的接收信号模型；
[0022]步骤2、利用发射喇叭天线照射超表面，在超表面法线方向上放置接收喇叭天线，获取边带信号；
[0023]步骤3、利用信号模型中的解析关系和时空调制矩阵，恢复出含有方位角信息的基带信号；
[0024]步骤4、对基带信号的协方差矩阵进行秩恢复处理后，计算来波信号的入射角度。
[0025]作为一种具体示例，步骤1所述设计超表面的调制时序，运用傅里叶变换理论，建立时空调制超表面系统的接收信号模型，具体如下：
[0026]步骤1.1、结合图2，基于时空调制超表面的DOA估计系统简化了硬件结构，并且通过时空调制的方式构建信号模型，减少了接收信道，仅需要一个远场接收喇叭天线即可接收所需的信号，具体如下：
[0027]本专利技术公开的方法不局限于透射式或反射式超表面单元，不失一般性，以透射式超表面单元为例。超表面DOA估计系统由透射式电可调超表面单元、FPGA控制模块和接收喇叭天线组成；所述超表面单元用于构成子阵，进而构成超表面阵列；所述FPGA用于调控每个子阵的工作状态；所述接收喇叭天线用于获取散射场频谱，提取边带信号。
[0028]对于由N个子阵组成的电可调超表面阵列，超表面单元搭载PIN二极管从而使每个子阵的工作状态可以通过基于FPGA的控制模块以数字编码的形式独立切换。超表面子阵共有全透射和全反射两种工作状态，通过时空调制编码，操控超表面的散射场。相较于阵列天线利用大量传感器构成接收链路，本专利技术公开的方法利用时空调制超表面操控空间电磁波，仅利用单个接收喇叭获取散射场，减少了接收信道，节约了硬件成本。
[0029]步骤1.2、以单一窄带平面波为例，当平面波以入射角θ
i
照射在超表面上时，透射
空间的远场散射方向图af(θ,t)可表示为：
[0030][0031]其中，θ和t分别为角度变量和时间变量，j表示虚数单位，E
i
(t)表示时域形式的入射场，β为自由空间传播常数，d是子阵边长，τ
n
(t)为第n个子阵的透射系数，可表示为：
[0032][0033]其中，m∈N，表示第m个周期；
[0034]步骤1.3、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于时空调制超表面的DOA估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、设计超表面的调制时序，运用傅里叶变换理论，建立时空调制超表面系统的接收信号模型；步骤2、利用发射喇叭天线照射超表面，在超表面法线方向上放置接收喇叭天线，获取边带信号；步骤3、利用信号模型中的解析关系和时空调制矩阵，恢复出含有方位角信息的基带信号；步骤4、对基带信号的协方差矩阵进行秩恢复处理后，计算来波信号的入射角度。2.根据权利要求1所述的基于时空调制超表面的DOA估计方法，其特征在于，步骤1中设计超表面的调制时序，运用傅里叶变换理论，建立时空调制超表面系统的接收信号模型，具体如下：步骤1.1、建立超表面DOA估计系统，包括透射式电可调超表面单元、FPGA控制模块和接收喇叭天线；所述透射式电可调超表面单元用于构成子阵，进而构成超表面阵列；所述FPGA用于调控每个子阵的工作状态；所述接收喇叭天线用于获取散射场频谱，提取边带信号；对于由N个子阵组成的电可调超表面阵列，超表面单元搭载PIN光电二极管，从而使每个子阵的工作状态通过FPGA控制模块以数字编码的形式独立切换；超表面子阵共有全透射和全反射两种工作状态，通过时空调制编码，操控超表面的散射场；利用时空调制超表面操控空间电磁波，利用单个接收喇叭天线获取散射场；步骤1.2、对于单一窄带平面波，当平面波以入射角θ
i
照射在超表面上时，透射空间的远场散射方向图af(θ,t)表示为：其中，θ和t分别为角度变量和时间变量，j表示虚数单位，E
i
(t)表示时域形式的入射场，β为自由空间传播常数，d是子阵边长；τ
n
(t)为第n个子阵的透射系数，表示为：其中，m∈N，表示第m个周期；步骤1.3、根据傅里叶变换理论，对透射系数τ
n
(t)进行傅里叶展开，分解为以调制频率f
p
为步进的各阶谐波，表示为：其中，α
n,q
代表第n个子阵的第q阶谐波的傅里叶级数，展开写为：步骤1.4、将式(3)代入式(1)中，则此时第q阶谐波对应的透射空间的远场散射方向图
的频域形式af
q
(θ)的表达式为：其中，E
i
表示入射场的频域形式，是一个常数；步骤1.5、将接收喇叭天线放置于超表面的正后方，即θ＝0
°
处，则此时接收到的第q阶谐波分量，即信号模型为：3.根据权利要求2所述的基于时空调制超表面的DOA估计方法，其特征在于，步骤2中利用发射喇叭天线照射超表面，在超表面法线方向上放置接收喇叭天线，获取边带信号，具体如下：步骤2.1、发射喇叭天线和接收喇叭天线均选用标准喇叭天线，分别位于超表面两侧，且均满足远场条件；用信号发生器连接发射喇叭天线，发射单频点正弦波，以设定角度照射超表面，模拟无限远处到达的平面波；步骤2.2、平面波经超表面调制后，产生的透射场由接收喇叭天线获取，接收喇叭天线位于超表面法线方向上，且...

【专利技术属性】
技术研发人员：李猛猛，赖梓扬，丁大志，樊振宏，房欣宇，陈明辉，朱泳庚，左雨翰，宋汶钊，洪宏展，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：