[发明专利]一种构建可重构稀疏线阵方法

说明书

本发明提供了一种构建可重构稀疏线阵方法，该方法为首先对目标波束采样，获得采样波束构成的矩阵，其次通过加权原子范数最小化方法获得秩最小的托普利兹矩阵，再使用Root‑MUSIC算法估计原子的频率和权重，最后通过映射关系将频率和权重转化为可重构稀疏线阵的阵元位置和激励。本发明提出的RANM算法在稀疏率上具有性能优势，可在保持辐射波束方向图形状几乎不变的情况下减少更多的阵元数量，从而降低系统的复杂度和功耗。本发明算法避免了传统稀疏恢复算法存在的网格失配问题，从而在重构波束的匹配精度方面优于传统的可重构稀疏线阵算法。

技术领域

本发明属于可重构线阵领域，具体涉及一种构建可重构稀疏线阵方法。

背景技术

在信息时代，数据的采集、传递及处理技术一直是水下探测、移动通信、无人驾驶、卫星通信等领域的核心问题。由于天线和换能器可以辐射和接收信号，因此其是用来进行信息传递的重要媒介。为了提升信息在空间中的传输效率，可对多个天线和换能器排布形成线阵，并结合方向图综合技术，使得线阵系统可以辐射特定形状的低副瓣高增益的波束方向图，从而在信息传递过程中抑制其他方向的干扰和噪声。因此波束方向图综合技术在线阵系统设计中起到了重要的作用。

实际工程中，为了减少波束方向图的主瓣宽度，提升线阵的角度分辨率，需要扩大线阵孔径和阵元数量。因此对于阵元间距不大于半波长的均匀线阵系统而言，阵元数量的增加提升了系统的复杂度、功耗、成本和维护难度。为了降低系统复杂度和成本，稀疏线阵的波束方向图综合技术引起了重视。该技术是在阵列孔径几乎不变的条件下，即保持阵列的角度分辨率不变的前提下，减少阵元数量并优化阵元的物理布局，并使其可以产生满足期望性能的波束方向图。由于这样设计出的大部分稀疏线阵的阵元间距大于半波长，因此其阵元间的互耦效应与均匀线阵相比更弱，在实际环境中具备更好的性能。

近年来，可重构线阵得到了飞速发展。与传统的单个工作模式的线阵不同，可重构线阵对于阵元位置固定的线阵结构，通过引入开关器件控制阵元的辐射特性从而实现工作模式的转换。换句话说，可重构线阵可以通过改变各阵元的阵元激励模式实现发射不同形状的波束方向图的功能。然而，均匀排布的可重构线阵需要的阵元数量较多且后端电路较为复杂，因此存在系统复杂度高、功耗高的问题，很难用于对功耗有要求的系统中。为了解决这个问题，基于稀疏可重构线阵的波束方向图综合技术受到了学者的广泛研究。例如有学者基于参数估计的角度提出了矩阵束(MPM)以及酉矩阵束(UMPM)方法，这两个算法设计的线阵结构可在保持波束方向图形状几乎不变的情况下减少阵元数量，进一步减少系统复杂度和成本。然而这两个算法仅是基于参数估计的角度设计可重构稀疏线阵的阵元位置和激励，并没有从阵元在位置区间上的稀疏性来设计可重构稀疏线阵，因此在阵元稀疏度性能方面不如从稀疏性角度出发的算法。

虽然矩阵束(MPM)、酉矩阵束(UMPM)算法可以设计可重构稀疏线阵，但是这两个算法仅是基于参数估计的角度设计可重构稀疏线阵的阵元位置和激励，并没有从阵元在位置区间上的稀疏性来考虑可重构稀疏线阵的波束设计，因此在阵元稀疏度性能方面不如从稀疏性角度出发的算法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有设计可重构稀疏线阵算法性能差的缺陷。

为了实现上述目的，本发明提出了一种构建可重构稀疏线阵方法，该方法为首先对目标波束采样，获得采样波束构成的矩阵，其次通过加权原子范数最小化方法获得秩最小的托普利兹矩阵，再使用Root-MUSIC算法估计原子的频率和权重，最后通过映射关系将频率和权重转化为可重构稀疏线阵的阵元位置和激励。

作为上述方法的一种改进，所述方法具体包括：

步骤1：对已知的可重构均匀线阵的M个波束图均匀采样获得数据F_ref，即对于有：