[发明专利]一种超宽带无频率色散的DOA估计方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于天线阵列信号处理领域，具体涉及一种超宽带无频率色散的DOA估计方法及其装置，是一种利用真延时补偿波程差的超宽带目标定位方法及装置。

背景技术

基于阵列天线的信号处理方法被广泛地应用于雷达、通信、声纳、地震探测等领域。其中，电磁波信号波达方向(DOA: Direction of Arrival)估计问题一直是重要研究方向之一，为此产生了多种算法，其中较经典的是多重信号分类法MUSIC(Multiple Signal Classification)和基于旋转不变技术分类法ESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)。之后，国内外众多学者在此基础上又提出了许多改进方法，如root-MUSIC、TLS-ESPRIT等，这些方法具有良好的分辨率和相对较小的计算量。但是这些方法大都是局限于窄带的DOA处理方法，并在信号模型中都假设噪声是白噪声，信号是平稳信号且信号之间是互不相关的。当这些假设其中之一不满足时，传统方法因没有充分利用信号本身蕴含的一些非空域特征，因而其估计性会迅速下降。因此，很有必要研究一些能有效地利用一套覆盖宽频段并且不受接收信号限制的阵列天线去处理该频段内所有的信号测向问题的方法。

超宽带(UWB)技术是一种不用载波而采用时间间隔纳秒级的脉冲进行通信的新型的无线通信技术，它通过对具有极抖上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。超宽带技术具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点，解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题。故，将此应用于相控阵雷达中，将有效改善其传输性能，并且对应产生新的DOA处理算法。

对于窄带相控阵雷达，通过补偿接收电磁波在阵元之间引入的波程差就能达到其入射角上的功率最大值，通过扫描空间全范围得到该最大值，对应的角度即为入射角。但是宽带相控阵雷达信号频谱宽，若用中心频率最佳相位补偿波程差，由于不同的频率分量同样的波程差产生的相位色散是不一样的，因此会在接受波的频率高端和低端造成很大的补偿误差，形成频率上的色散现象。另外，根据空间采样理论，阵元间距都不能超过接收信号频点对应的半波长，否则会出现测量角度的模糊，为了不出现相位模糊现象，需要用接收电磁波的最高频率对应的半波长来设计阵元间距，这样做的结果是在信号低频处天线有效孔径小，估算性能低。一个新的思路是用时间补偿代替相位补偿。基本的解决方法是考虑在各阵元上引入各自时间延时来达到接收角方向同相相加，功率最大。现在有方法是采用延时线，但是价格昂贵，性能较差，且延时只能为离散值。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种超宽带无频率色散的DOA估计方法及其装置，克服传统宽带情形下DOA估计的信号展宽、频率色散等问题。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的第一种技术方案为一种超宽带无频率色散的DOA估计装置，包括天线阵列和真延时空间变换信号处理单元，所述天线阵列用于接收来波信号并将其传送给真延时空间变换信号处理单元，对于特定的空间方位角（简称“方位角”），真延时空间变换信号处理单元将天线阵列中各阵元的采样波形进行延时相加，再对得到的波形进行脉冲压缩，并记录脉冲压缩后得到的波形的峰值；对空间方位角进行扫描，得到空间方位角和峰值的关系曲线，根据曲线的极值确定来波方向。

进一步的，所述天线阵列包括多个直线型排列的阵元。

进一步的，所述阵元等间隔排列。

进一步的，所述真延时空间变换信号处理单元对接收的来波信号进行采样；各个空间角度射入的电磁波到达各个阵列阵元的时间可能有所偏差，通过真延时的时间补偿方法对接收信号进行时间对齐；所述真延时空间变换信号处理单元计算出每个角度对应的各个阵元的对齐时间常数，在每个角度上分别对齐相加，最终得到多个输出。

本发明采用的第二种技术方案为实现超宽带无频率色散的DOA估计方法，包括以下步骤：

(1)对于射入的电磁波信号的空间角度，计算出各阵元相对于参考阵元的时间延时；