[发明专利]一种阵列误差条件下的互质阵列DOA估计新方法

说明书

本发明在阵列误差条件下对互质阵列进行DOA估计。当存在阵列误差时，互质阵列作为一种新型阵列，其DOA估计精度会降低，而相关研究却少之又少。在这样的背景下，本发明着重解决阵列误差条件下互质阵列的DOA估计问题，主要进行了以下工作：1)提出了阵列误差存在时互质阵列的一般信号模型，该模型能够将误差参数分离出来。2)提出了基于Bessel先验的稀疏贝叶斯模型进行阵列误差条件下的互质阵列DOA估计。3)针对网格失配问题，提出了互质阵列的网格失配求根算法。经过一系列仿真和分析，可以看出本发明提出的算法在采样点和信噪比不变的情况下，拥有更高的精度和准确率。

技术领域

阵列天线工程化过程中遇到的阵列误差主要包括阵元方向图误差、阵元位置误差、阵元互耦、通道幅相误差及通道频带误差等。其中，方向图误差和频带误差在特定情况下可以等效为通道幅相误差，因此，关于阵列误差的研究主要围绕阵元位置误差、阵元互耦、通道幅相误差展开。阵元位置误差与来波方向相关，通常称之为方向依赖误差；阵元互耦、通道幅相误差则与来波方向无关，称为方向独立误差。

背景技术

早期的阵列误差校正是通过对阵列流型进行测量、内插、存储来实现的，这些方法实现代价大且效果不理想。20世纪90年代以后，阵列误差校正研究逐步向参数估计方向发展，通过对各种误差进行建模，依据观测数据对误差参数进行估计。参数估计类阵列误差校正方法可以分为两类，有源校正和无源校正(自校正)。有源校正通过在空间设置方位精确已知的辅助信源，依据观测数据对阵列误差进行离线估计。这类算法以辅助信源方位精确已知为前提，校正过程中不需要对辅助信源的来波方向进行估计，运算量较小，但当辅助信源的来波方向存在偏差时，参数估计结果偏差较大。自校正算法依据观测数据对信源的来波方向和误差参数进行联合估计，不需要设置辅助信源，与有源校正相比系统成本较低，且可以进行在线估计，实现实时校正。但是，由于自校正算法涉及参数联合估计，对应的高维非线性优化问题，计算量巨大，且全局最优解获取困难，为自校正算法研究带来巨大挑战。

关于互质阵列的误差校正问题，相关研究十分匮乏，截止目前可以检索到的文献寥寥无几。针对阵元互耦问题，文献[1]对互耦条件下的互质阵列DOA估计进行了探索性研究，首先利用接收互耦阻抗方法(Receiving-Mutual-Impedance Method，RMIM)对互质阵列中阵元间的互耦效应进行衡量，再利用混合参数协方差矩阵自适应迭代算法(CovarianceMatrix Adaptation Evolution Strategy，CMA-ES)对到达角及互耦矩阵进行联合估计；文献[2]研究了阵元互耦对三种稀疏阵列DOA估计性能的影响，并提出两种互耦补偿方法。一种方法假设互耦效应部分已知，在迭代过程中分别应用稀疏信号重构和CMA-ES更新互耦矩阵和到达角；另一种方法假设互耦完全未知，利用CMA-ES对代价函数进行最小化从而实现互耦矩阵、信号源能量、信号到达角的同时估计。上述两篇文献虽实现了互耦条件下互质阵列的DOA估计的问题，但CMA-ES算法运算量大、耗时长，难以实现误差的实时校正。

针对通道幅相误差问题，目前尚无公开发表的关于互质阵列幅相误差校正的研究成果，但文献[3，4]对嵌套阵列的幅相误差校正问题进行了研究，可以为互质阵列提供参考。其中，文献[3]将幅度误差和相位误差分别进行处理，利用嵌套阵列接收数据协方差矩阵的部分Toeplitz性对幅度误差进行估计，对于相位误差则不直接估计误差参数而是通过构建稀疏总体最小二乘(Sparse Total Least Squares，STLS)问题直接对信源到达角进行估计。文献[4]在文献[3]的基础上，分析了算法的鲁棒性，并将校正算法扩展到任意非均匀线阵。

针对阵元位置误差问题，文献[5]分析了阵元位置扰动对虚拟阵列基础上的互质阵列DOA估计算法的影响，并提出一种稀疏重构类迭代算法实现了DOA和阵元位置误差的联合估计。文献[6]利用一阶泰勒级数展开对虚拟阵列的阵列流型进行估计，构建“双仿射”模型，并在此基础之上进行降维处理，将问题转化为线性欠定DOA估计问题，最后利用文献[5]中迭代方法进行求解，从虚拟阵列角度解决了均匀线阵及互质阵列的阵元位置误差校正问题。