[发明专利]一种用于非圆信号波达方向估计的二级扩展变换嵌套阵设计方法

说明书

本发明公开了一种用于非圆信号波达方向估计的二级扩展变换嵌套阵设计方法。该方法首先交换了传统嵌套阵两个子阵的位置，使稀疏子阵在前，密集子阵在后。之后通过实施对密集子阵的稀疏化布局，使其虚拟和差阵具有大范围连续段，进而获得自由度的提升，其实现步骤是：计算阵元间距基本单元，确定阵元数和阵元间隔参数，根据解析式确定阵元的物理位置。本发明可以在相同阵元数的条件下，有效增大虚拟和差阵的自由度，提高波达方向的估计精度，提高空间目标探测能力，减少阵列运行成本。

技术领域

本发明属于阵列信号处理领域，涉及到一种适用于非圆信号波达方向估计的稀疏阵列优化布局及设计方法，具体是一种基于嵌套阵的阵列孔径扩展结构，可用于生成高自由度的虚拟和差阵列。

背景技术

波达方向估计是阵列信号处理领域的一个重要课题，在雷达、声呐、无线通信、导航等应用中扮演了重要的角色。传统的波达方向估计采用了均匀排布的传感器阵列，传感器间隔小于半波长。这种均匀排布方式，保证了信号的空间谱形式唯一，空间信息无混叠，并能通过谱函数唯一辨识空间探测目标。然而，均匀线阵的可识别信源数受到了自由度的严重限制，一个N传感器的均匀线阵最多只能识别N-1个信源。

为了解决信源数多于阵元数的欠定波达方向估计问题，使用了较少传感器的非均匀线阵，也被称作稀疏阵，被提出。稀疏阵通过对各阵元接收信号计算协方差，再对协方差矩阵进行矢量化操作，获得等效虚拟相控阵。其虚拟阵元位置位于实际阵元的差分位置处，如果能令虚拟差阵连续排布，就可以利用虚拟阵实现目标方位估计。然而，之前的研究都是基于圆信号发展而来的。事实上，大量的非圆信号，如二进制相移键控信号和脉冲振幅调制信号，都被广泛应用于无线通信系统中。非圆信号的一个重要特性是它的椭圆协方差矩阵不等于零。对椭圆协方差矩阵进行矢量化操作，得到的虚拟阵阵元位置是实际阵元位置之和。因此，结合收到非圆信号的协方差与椭圆协方差矩阵，得到的虚拟阵将同时包含了差阵与和阵，虚拟阵元数相较于传统差阵能够提升一倍。对于非圆信号的欠定波达方向估计问题，一些新的稀疏阵被提出。例如，有和差虚拟阵的改进嵌套阵通过同时移位传统嵌套阵的稀疏子阵与密集子阵扩大了虚拟阵孔径，但是这个阵型需要在零点布置一个额外传感器作为参考传感器。变换嵌套阵基于降低和阵与差阵之间冗余的思想，交换了传统嵌套阵两个子阵的位置，进一步提高了阵列自由度。但是，目前提出的这些稀疏阵列结构，其自由度仍有很大的提升空间。因此，如何设计一种一维稀疏阵，使其虚拟和差阵具有高自由度(即更长连续段)，对于实际应用有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于非圆信号波达方向估计的稀疏阵列优化布局及设计方法，在变换嵌套阵的基础上，对其密集子阵进行稀疏化处理。在具备相同数目的传感器情况下，获得比现有稀疏阵更大的虚拟和差阵、更高的阵列自由度和更强的空间目标探测能力。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的，它包括步骤如下：

(1)用d表示阵元间距的基本单元，将其取为半波长，即d＝λ/2；λ表示阵列入射信号的波长；

(2)根据阵列给定的总阵元数N，选取两个正整数N₁和N₂作为阵列参数，满足N＝N₁+N₂，其中N₁≥7,N₂≥1；

(3)将嵌套阵的稀疏子阵放在前，它的阵元间距为(N₁+1)d，阵元数为N₂，记为密集子阵在稀疏子阵之后，它的阵元间距为d，阵元数为N₁+1，记为两个子阵共用位于(N₂-1)(N₁+1)d处的传感器；

(4)将密集子阵的阵元分成两部分，第一部分为第二部分为

(5)将第二部分向右平移(N₁+1)d，得到与组成了一个新的密集子阵