基于功放智能超表面的多源DoA估计方法技术

本发明专利技术公开一种基于功放智能超表面的多源DoA估计方法，其实现方案为：构建一个功放智能超表面，它能够对雷达接收信号的功率进行放大，并改善雷达接收信号的信噪比。用构建的功放智能超表面实现DoA估计，一方面规避了传统基于二极管的智能超表面对雷达接收信号的衰减，另一方面实现了对多源的二维DoA估计。此外，本发明专利技术仅采用部分超表面单元进行DoA估计，而剩余超表面单元可被设计用于发射雷达信号，从而有望实现全双工的工作模式。因此，本发明专利技术可以被应用于低成本、高精度、多功能的DoA估计中。中。中。

【技术实现步骤摘要】
基于功放智能超表面的多源DoA估计方法


[0001]本专利技术属于雷达通信
，更进一步涉及波达方向估计
中的一种基于功放智能超表面的多源DoA估计方法。本专利技术可用于对雷达接收信号进行DoA估计。

技术介绍

[0002]智能超表面作为一种新型的电磁调控与接收的平台，被广泛研究用于信号感知和DoA估计中。在传统的基于智能超表面的DoA估计中，目标的方向主要是通过接收多个随机样本进行压缩感知来获取的，需要对超表面的单元进行多次的随机编码并获取杂散波束，使得现有方法不具备实时性，并且传统基于智能超表面的波达方向估计方法难以同时实现对多源的二维定位。此外，传统的智能超表面是通过加载二级管对每一个单元进行控制的，使得雷达接收信号在经过智能超表面之后会被衰减，从而降低DoA估计精度。如何利用智能超表面实现高精度的多源DoA估计成为了这个领域的一个重要问题。
[0003]东南大学在其申请的专利文献“一种基于数字可编程超表面的多源DOA估计方法”(申请号CN202111224815.4申请公布号CN 113871887 A)中公布了一种基于数字可编程超表面的多源DOA估计方法。该方法提出利用可编程超表面产生40组随机双波束表面编码，每一组表面编码对应一组固定的双波束角度，利用40组采样结果通过OMP算法计算出来波角度信息。但是，该方法仍然存在的不足之处是：该方法是通过一维双波束进行采样的，不能实现二维的DoA估计。
[0004]Mingtuan Lin和Ming Xu等人在其发表的论文“Single Sensor to Estimate DOA With Programmable Metasurface”(IEEE Internet of Things Journal,2021,8(12):10187
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10197.)中提出一种基于超表面的单通道DoA估计方法。该方法构建了一个二极管加载的20
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20的可编程超表面，通过产生100组随机的编码模式，来采集100个随机样本，并利用压缩感知算法实现波达方向估计。但是，该方法仍然存在的不足之处是：智能超表面上二极管对雷达接收信号存在衰减，恶化雷达接收信号的信噪比，进而降低DoA估计精度。
[0005]Junyan Dai和Wankai Tang等人在其发表的论文“Simultaneous In
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situ Direction Finding and Field Manipulation Based on Space
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TimeCoding Digital Metasurface”(IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2022.)中提出一种利用空时编码超表面进行波达方向估计的方法，该方法通过周期性的调节编码超表面单元上的二极管，使得编码超表面产生谐波，并利用谐波的幅度比来实现对波达方向的估计。但是，该方法仍然存在的不足之处是：该方法是基于谐波分量的比幅法进行计算的，只能对单源进行一维估计。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种基于功放智能超表面的多源DoA估计方法，用于解决现有基于智能超表面的波达方向估计技术中不能实现对多源的二维DoA估计、智能超表面上二极管对雷达接收信号存在衰减等问题。
[0007]实现本专利技术目的的技术思路是：本专利技术利用了一种加载功率放大器的超表面单元，能够对雷达接收信号的功率进行放大，并改善雷达接收信号的信噪比。因此用加载了功率放大器的超表面单元来构建功放智能超表面，规避了传统基于二极管的智能超表面对雷达接收信号的衰减。本专利技术采用非均匀时间调制技术对雷达接收信号进行调制，使得雷达接收信号经过不同的超表面单元产生的谐波会出现在频谱中的不同频率中，通过在单通道信号中提取频谱中的谐波分量构成阵列信号，使得本专利技术利用部分超表面单元即可实现对多源的二维DoA估计。
[0008]本专利技术的具体步骤包括如下：
[0009]步骤1，设计加载功率放大器的超表面单元；
[0010]步骤2，将设计的超表面单元通过周期性的排布组成一个二维的N
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N的功放智能超表面，其中，N表示二维结构的行数和列数；
[0011]步骤3，从功放智能超表面中选取至少3个相邻的超表面单元组成二维的阵列结构；
[0012]步骤4，采用非均匀时间调制技术对选取的超表面单元进行调制；
[0013]步骤5，构建雷达接收信号经过每个被选取的超表面单元后的信号模型如下：
[0014][0015]其中，y
(m,n)
表示雷达接收信号经过二维阵列结构中第m行、第n列的超表面单元后的信号模型，G表示每个超表面单元上的功率放大器产生的增益，∑表示求和操作，q表示雷达信号经过每个被选取的超表面单元后产生的谐波的阶数，k表示待测目标源的序号，K表示待测目标源的数量，s
k
表示第k个待测目标源的雷达接收信号，c
q
表示雷达接收信号经过每个被选取的超表面单元后产生的第q阶谐波的傅里叶系数，exp(.)表示以自然常数e为底的指数操作，j表示虚数单位符号，π表示圆周率，f
(m,n)
表示二维阵列结构中第m行、第n列的超表面单元的调制频率，t表示雷达接收信号的时刻，β表示雷达接收信号的空间波数，d表示每个超表面单元与其每个相邻超表面单元的间距，sin表示正弦函数，cos表示余弦函数，θ
k
表示第k个待测目标源的俯仰角，φ
k
表示第k个待测目标源的方位角；
[0016]步骤6，雷达接收信号经过所有的被选取的超表面单元后，合成为单通道信号y如下:
[0017]y＝∑y
(m,n)
；
[0018]步骤7，从单通道信号中提取雷达接收信号经过每一个被选取的超表面单元后产生的+1阶谐波的信号如下：
[0019][0020]其中，表示雷达接收信号经过二维阵列结构中第m行、第n列超表面单元后产生的+1阶谐波的信号，c1表示雷达接受信号经过每一个超表面单元产生的+1阶谐波的傅里叶系数；
[0021]步骤8，将所有被选取的超表面单元产生的+1阶谐波分量组成谐波向量R；
[0022]步骤9，利用获得的谐波向量R，通过空间谱估计算法，进行多源的二维DoA估计。
and Manipulation of Nonlinear Electromagnetic Waves and Enhanced Nonreciprocity using Transmissive Space
‑
Time
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Coding Metasurface”(Advanced Science,2022,9(11):2105960.)
[0038]步骤2，将设计的超表面单元通过周期性的排布组成一个二维的N
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N的功放智能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于功放智能超表面的多源DoA估计方法，其特征在于，利用加载功率放大器的超表面单元构建功放智能超表面，采用非均匀时间调制技术对选取的每一个超表面单元进行调制,通过提取调制过程中产生的谐波进行DoA估计；该DoA估计方法的步骤包括如下：步骤1，设计加载功率放大器的超表面单元；步骤2，将设计的超表面单元通过周期性的排布组成一个二维的N
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N的功放智能超表面，其中，N表示二维结构的行数和列数；步骤3，从功放智能超表面中选取至少3个相邻的超表面单元组成二维的阵列结构；步骤4，采用非均匀时间调制技术对选取的超表面单元进行调制；步骤5，构建雷达接收信号经过每个被选取的超表面单元后的信号模型如下：其中，y
(m,n)
表示雷达接收信号经过二维阵列结构中第m行、第n列的超表面单元后的信号模型，G表示每个超表面单元上的功率放大器产生的增益，∑表示求和操作，q表示雷达信号经过每个被选取的超表面单元后产生的谐波的阶数，k表示待测目标源的序号，K表示待测目标源的数量，s
k
表示第k个待测目标源的雷达接收信号，c
q
表示雷达接收信号经过每个被选取的超表面单元后产生的第q阶谐波的傅里叶系数，exp(.)表示以自然常数e为底的指数操作，j表示虚数单位符号，π表示圆周率，f
(m,n)
表示二维阵列结构中第m行、第n列的超表面单元的调制频率，t表示雷达接收信号的时刻，β表示雷达接收信号的空间波数，d表示每个超表面单元与其每个相邻超表面单元的间距，sin表示正弦函数，cos表示余弦函数，θ
k

【专利技术属性】
技术研发人员：李龙，夏得校，王鑫，韩家奇，刘海霞，史琰，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：