【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于阵列天线布局，尤其涉及一种用于doa估计的重构移位互质阵列及排布方法。
技术介绍
1、波达方向(direction of arrival,doa)估计可以估计出发射信源的到达角度，是阵列信号处理的重要研究方向之一。doa估计的性能与阵列的孔径和自由度息息相关。阵列孔径越大和阵列自由度越高往往doa估计精度越高。doa估计现在通常采用均匀密集线阵，该阵列成本较高且阵列之间耦合较为严重。相比于均匀密集线阵，非均匀稀疏线阵能够在保证相同的阵列孔径下利用更少的阵列数目来实现doa估计，有效节约成本。此外，非均匀稀疏线阵可以生成相应的虚拟阵列(差分阵列)来进行doa估计，其差分阵列相比物理阵列而言阵列孔径更大，自由度也更高，可以实现更高性能的doa欠定(估计的信源数目多于实际的物理阵元数目)估计。另一方面，非均匀稀疏线阵不受奈奎斯特采样定理对相邻阵元间距的约束条件影响，阵列中相邻阵元的间距更加稀疏，可以有效减少阵元之间的相互耦合作用。
2、最早的稀疏阵列是最小冗余阵(mra)，但其虽然能够在保持差分阵的连续自由度最大的情况下减少差分阵的冗余间隔，但是却没有具体的数学表达式，对其研究造成了很大的影响。嵌套阵(na)的提出解决了mra没有精确表达式的问题，但是其一个子阵是密集阵列，阵列之间互耦问题较为严重。互质阵(ca)阵列之间拥有更大的间隔，阵列间互耦较低，但是其差分阵的连续自由度不大。扩展互质阵(aca)对ca进行了改进，增加了其间距为n的子阵列个数，增加了其连续自由度。薄互质阵(tca)在保持和aca差分阵结构
3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前，均匀密集线阵的成本较高，且无法实现欠定doa估计，同时阵元间距较小会遭受严重的互耦影响，doa估计精度较差。而在非均匀稀疏阵列中，最小冗余阵列没有闭合的数学表达式，无法对其进行更深层次的理论研究，嵌套阵在互耦环境下的doa估计精度非常差，互质阵虽然可以减少阵列之间的耦合作用但是其差分阵的连续自由度较少，无法获得高精度的doa估计结果。稀疏阵列的研究重点在于设计出有闭合表达式的阵列，通过求取其差分阵列来获得更大的连续自由度和阵列孔径来实现更高精度的doa估计，但现有的研究仍不够深入，阵列性能仍有改进空间。
4、与本专利技术提出的用于doa估计的重构移位互质阵列方案最接近的现有技术是传统的互质阵列(coprime array)用于doa估计。互质阵列利用两个互质数定义的子阵列构成，通过它们的互质特性来提高其差分阵列的连续自由度，以达到更高的doa估计分辨率和精度。
5、现有技术的技术问题：
6、1)估计精度限制：尽管传统的互质阵列通过互质数特性提高差分阵列的连续自由度，但在某些应用场景中，尤其是在有限的阵元数量下，其差分阵列的连续自由度仍不足以满足高精度定位要求。
7、2)侧瓣水平：在doa估计中，传统互质阵列会产生较高的侧瓣水平，这导致错误的角度估计或信号源定位不准确。
8、3)复杂度和成本：虽然传统互质阵列能提供较好的性能，但它们需要更多的阵元和相应的硬件支持，这导致系统复杂度和成本的增加。
9、4)灵活性和适应性：在特定应用中，如动态环境或特定的信号特性下，传统互质阵列不具备足够的灵活性和适应性来优化性能。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种用于doa估计的重构移位互质阵列及排布方法。
2、本专利技术是这样实现的，一种用于doa估计的重构移位互质阵列，所述用于doa估计的重构移位互质阵列结构是通过对互质阵第2个子阵列进行翻转和移位，并且增加一个补充子阵列3得到的。
3、所述用于doa估计的重构移位互质阵列结构设置有三个均匀子阵；
4、所述用于doa估计的重构移位互质阵列结构的阵元位置具有闭合表达式；
5、所述用于doa估计的重构移位互质阵列结构以子阵2的第一个阵元为原点，阵元的位置表示为：sd＝(s1∪s2∪s3)d，d＝λ/2为单位阵元间距，λ为载波波长，s1，s2，s3分别表示三个子阵列的位置集合，元素×d表示阵列的实际位置。
6、进一步，三个均匀子阵中第一个子阵的阵元间距为d1＝nd，阵元的位置集合为s1＝{mn+l|m∈[0,m-2+k]}，其中l＝m+kn；m和n为互质整数，n＞m≥2,k为非负整数。
7、进一步，三个均匀子阵中第二个子阵的阵元间距为d2＝md，阵元的位置集合为s2＝{-nm|n∈[0,n-1]}；m和n为互质整数，n＞m≥2。
8、进一步，三个均匀子阵中第三个子阵的阵元间距为d3＝nd，阵元的位置集合为s3＝{-(m-1)(n-1)+1+mn-l|m∈[0,m-2+k]},其中l＝m+kn；m和n为互质整数，n＞m≥2,k为非负整数。
9、本专利技术的另一目的在于提供一种用于doa估计的重构移位互质阵列的排布方法，所述用于doa估计的重构移位互质阵列的排布方法包括以下步骤：
10、步骤一，设置重构移位互质阵列；
11、步骤二，建立信号接收模型；
12、步骤三，生成差分阵列连续部分的等效接收数据；
13、步骤四，利用空间平滑算法对信号进行doa估计。
14、进一步，步骤一中设置一个重构移位互质阵列，子阵1距离原点的距离为ld＝(m+kn)d，向正方向依次排布；子阵2从原点开始向负方向依次排布阵列，子阵3从距离原点[-(m-1)(n-1)+1-l]d的距离向正方形依次排布；重构移位互质阵列(rsca)阵列的阵元位置表示为sd，其中s是一个整数集合，表达式为：
15、s＝s1∪s2∪s3
16、s1＝{mn+l|m∈[0,m-2+k]}
17、s2＝{-nm|n∈[0,n-1]}
18、s3＝{-(m-1)(n-1)+1+mn-l|m∈[0,m-2+k]}
19、l＝m+kn
20、式中，s表示阵列的位置集合，s1，s2，s3分别表示三个子阵列的位置集合，其中，m和n为互质整数，n＞m≥2,k为非负整数。
21、进一步，步骤二中发射信号sp(t)为p个以角度θp(-90°≤θp≤90°)射入接收阵列的相互独立的平稳远场窄带信号，接收阵列的阵元位置表示为sd，s＝{q1,q2,...q2m+n+2k-2}为其位置集合，接收过程产生的噪声nn(t)是加性的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于DOA估计的重构移位互质阵列，其特征在于，阵列结构是通过对互质阵列的第二个子阵列进行翻转和移位操作，并增加一个补充的第三子阵列而构成的；该重构移位互质阵列包含三个均匀子阵，其阵元位置具有闭合表达式，易于计算和实现。每个子阵的阵元间距和位置集合均有明确定义，其中第一个和第三个子阵的阵元间距及位置集合由互质整数参数和非负整数参数决定，而第二个子阵则由一组互质整数参数确定其阵元间距和位置集合。
2.如权利要求1所述的用于DOA估计的重构移位互质阵列，其特征在于，所述用于DOA估计的重构移位互质阵列包括三个共线的一维子阵列，具有闭合的表达式，以子阵2的第一个阵元为原点，阵元的位置表示为：Sd＝(S1∪S2∪S3)d，d＝λ/2为单位阵元间距，λ为载波波长，S1，S2，S3分别表示三个子阵列的位置集合，元素×d表示阵列的实际位置。
3.如权利要求2所述的用于DOA估计的重构移位互质阵列，其特征在于，三个均匀子阵中第一个子阵的阵元间距为d1＝Nd，阵元的位置集合为S1＝{mN+L|m∈[0,M-2+k]}，其中L＝M+kN；M和N为互质整数，N＞M≥2,k
4.如权利要求2所述的用于DOA估计的重构移位互质阵列，其特征在于，三个均匀子阵中第二个子阵的阵元间距为d2＝Md，阵元的位置集合为S2＝{-nM|n∈[0,N-1]}；M和N为互质整数，N＞M≥2。
5.如权利要求2所述的用于DOA估计的重构移位互质阵列，其特征在于，三个均匀子阵中第三个子阵的阵元间距为d3＝Nd，阵元的位置集合为S3＝{-(M-1)(N-1)+1+mN-L|m∈[0,M-2+k]},其中L＝M+kN；M和N为互质整数，N＞M≥2,k为非负整数。
6.如权利要求1～5任一项所述的一种用于DOA估计的重构移位互质阵列的排布方法，其特征在于，所述用于DOA估计的重构移位互质阵列的排布方法包括以下步骤：
7.如权利要求6所述的用于DOA估计的重构移位互质阵列的排布方法，其特征在于，步骤一中设置一个重构移位互质阵列，子阵1距离原点的距离为Ld＝(M+kN)d，3向0d正方向依次排布；子阵2从原点开始向负方向依次排布阵列，子阵3从距离原点[-(M-1)(N-1)+1-L]d的距离向正方形依次排布；重构移位互质阵列(RSCA)阵列的阵元位置表示为Sd，其中S是一个整数集合，表达式为：
8.如权利要求6所述的用于DOA估计的重构移位互质阵列的排布方法，其特征在于，步骤二中发射信号sp(t)为P个以角度θP(-90°≤θP≤90°)射入接收阵列的相互独立的平稳远场窄带信号，接收阵列的阵元位置表示为Sd，S＝{q1,q2,...q2M+N+2k-2}为其位置集合，接收过程产生的噪声nn(t)是加性的，噪声与P个发射信号之间相互独立，噪声与噪声之间相互独立，且均服从参数为的高斯分布，阵列的观测数据矢量表示为：
9.如权利要求6所述的用于DOA估计的重构移位互质阵列的排布方法，其特征在于，步骤三中先计算x(t)的协方差矩阵Rx：
10.如权利要求6所述的用于DOA估计的重构移位互质阵列的排布方法，其特征在于，步骤四中采用空间平滑MUSIC算法进行DOA估计，通过计算均方根误差衡量估计精度。
...【技术特征摘要】
1.一种用于doa估计的重构移位互质阵列，其特征在于，阵列结构是通过对互质阵列的第二个子阵列进行翻转和移位操作，并增加一个补充的第三子阵列而构成的；该重构移位互质阵列包含三个均匀子阵，其阵元位置具有闭合表达式，易于计算和实现。每个子阵的阵元间距和位置集合均有明确定义，其中第一个和第三个子阵的阵元间距及位置集合由互质整数参数和非负整数参数决定，而第二个子阵则由一组互质整数参数确定其阵元间距和位置集合。
2.如权利要求1所述的用于doa估计的重构移位互质阵列，其特征在于，所述用于doa估计的重构移位互质阵列包括三个共线的一维子阵列，具有闭合的表达式，以子阵2的第一个阵元为原点，阵元的位置表示为：sd＝(s1∪s2∪s3)d，d＝λ/2为单位阵元间距，λ为载波波长，s1，s2，s3分别表示三个子阵列的位置集合，元素×d表示阵列的实际位置。
3.如权利要求2所述的用于doa估计的重构移位互质阵列，其特征在于，三个均匀子阵中第一个子阵的阵元间距为d1＝nd，阵元的位置集合为s1＝{mn+l|m∈[0,m-2+k]}，其中l＝m+kn；m和n为互质整数，n＞m≥2,k为非负整数。
4.如权利要求2所述的用于doa估计的重构移位互质阵列，其特征在于，三个均匀子阵中第二个子阵的阵元间距为d2＝md，阵元的位置集合为s2＝{-nm|n∈[0,n-1]}；m和n为互质整数，n＞m≥2。
5.如权利要求2所述的用于doa估计的重构移位互质阵列，其特征在于，三个均匀子阵中第三个子阵的阵元间距为d3＝nd，阵元的位置集合为s3＝{-(m-1)(n-1)+1+m...
【专利技术属性】
技术研发人员：顾芳，郑植，王文钦，王成，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：
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