[发明专利]嵌套阵下基于未知互耦信息的压缩感知DOA估计方法

说明书

本发明公开了一种嵌套阵下基于未知互耦信息的压缩感知DOA估计方法，其包括下列步骤：计算嵌套阵列的接收信号的自相关矩阵；对得到的自相关矩阵进行向量化处理；基于得到的向量化处理结果构建优化问题模型；空间均匀划分，构造完备字典集；将完备字典集代入优化问题模型中并求解，得到DOA估计分块结果；基于DOA估计分块结果计算得到DOA估计结果。本发明用于存在互耦影响时的嵌套阵的DOA估计，能有效解决DOA估计模型失配导致估计性能严重下降的问题，本发明不需要知道互耦信息，并且具有自由度高，分辨性能好的优势，能够处理比物理阵元数更多的入射信号。

技术领域

本发明涉及阵列信号处理领域的波达方向估计技术，具体是涉及一种嵌套阵下基于未知互耦信息的压缩感知DOA估计方法。

背景技术

信号的波达方向(Direction-of-arrival，DOA)估计是阵列信号处理领域的重要组成部分，它是指利用天线阵列对空间声学信号、电磁信号进行感应接收，再运用现代信号处理方法快速准确的估计出信号源的入射方向，在雷达、声呐、无线通信等领域具有重要应用价值。随着科技的不断进步，对阵列在进行信号波达方向估计时达到的自由度也有越来越高的要求。

在信号的波达方向估计处理中，应用较为广泛的是多重信号分类MUSIC子空间的模型，对于一个N阵元的典型均匀阵列，传统的MUSIC类DOA估计方法可检测的信源数目是N-1个。即在基于MUSIC模型的DOA估计处理中，会造成估计的信号数目低于阵元数目，目标个数很多时甚至无法识别，导致目标捕获失败。

为了在阵元数较少的条件下得到尽量大的自由度，检测更多的信源，一些新的阵列结构被提出，比较典型的就是非均匀阵列。相比常规的均匀阵列，非均匀阵列具有如下优势：在阵列孔径相同的情况下，相比均匀阵列需要的阵元数更少；在阵元数相同的情况下，非均匀阵列具有更大的阵列孔径，分辨率更高；此外通过引入虚拟阵列的概念，非均匀阵列能够处理比物理阵元数多得多的入射信号。常见的非均匀阵列有最小冗余阵、嵌套阵、互质阵等。

因嵌套阵能扩展阵列自由度的特点而被较多的应用到非均匀阵列中，如文献《P.Pal and P.P.Vaidyanathan,“Nested arrays:A novel approach to arrayprocessing with enhanced degrees of freedom,”IEEE Trans.Signal Process.,vol.58,no.8,pp.4167–4181,Aug.2010》公开了一种基于嵌套阵列的DOA估计方法，其通过将物理阵列接收信号的数据协方差矩阵向量化构造虚拟阵列等效单快拍接收数据，然后通过空间平滑(或构建Toeplitz矩阵)进行DOA估计。该方法能够使用N个物理阵元，生成N²/2+N-1个虚拟阵元，可检测N²/4+N/2-1个信号。尽管嵌套阵列相比均匀阵列受互耦影响更小，但是相比互质阵，嵌套阵中相距较近的阵元更多，因此受互耦影响仍很大，但上述文献所公开的嵌套阵列结构并未考虑互耦的影响，而在实际工程中，相距较近的两个阵元之间往往存在互耦影响。阵元之间的的互耦影响可以用互耦矩阵(Mutual Coupling Matrix，MCM)来描述。由于互耦的存在往往导致传统DOA估计算法模型失配，从而使得估计性能大大下降，当前缺乏对嵌套阵这种新型阵列结构存在互耦影响的情况下如何进行有效的DOA估计的可行方案。

常规的基于均匀线阵下的互耦补偿方法虽然能够直接在嵌套阵下使用，但会因为阵元数受限而导致无法利用嵌套阵列提高自由度和扩大阵列孔径的优势。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对嵌套阵下存在互耦影响时，DOA估计模型失配导致估计性能严重下降的问题，提出了一种嵌套阵下基于未知互耦信息的压缩感知DOA估计方法。本发明不需要知道互耦信息，并且具有自由度高，分辨性能好的优势，能够处理比物理阵元数更多的入射信号。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：