专利名称：一种高精度测向阵列结构设计方法
技术领域：
本发明属于以发射信号可被无方向性接收机检测到并确定发射机相关的方向位置技术领域，涉及一种用于波达方向(Direction of Arrival，D0A)估计的阵列结构设计方法。
背景技术：
波达方向(Direction of Arrival，D0A)估计在电子对抗、水声对抗及新一代无线通信中扮演着非常重要的角色。常用的波达方向估计方法有针对于单辐射源的干涉仪测向与针对于多辐射源的空间谱估计法。这些方法都是依赖于阵列的，阵列结构见附
图1所示。 干涉仪阵列一般是3 5元非等距阵列，通过对辐射源号到达各阵元时的相位差解模糊估计辐射源的方向。常用的空间谱估计阵列是等距线阵。为了在180°范围内实现无模糊波达方向估计，阵元间距必须小于半波长。这样的阵列主要有如下不足(1)阵元间互耦效应较大，对波达方向估计不利；(2)阵元尺寸如孔径较大时阵列难以安装，无法使用大孔径阵元接收更微弱的信号；(3)欲实现高精度波达方向估计需增大阵列有效孔径，需要更多的阵元，造价昂贵。为了在大阵列孔径下减小阵元数目，人们已设计出了最小冗余阵列、最大连续延迟阵列、最小间隙阵等非等距线阵，但这些非等距阵列的最小阵元间距仍为半波长， 且其它阵元间距为半波长的整数倍，这样的阵列仍无法克服等距线阵的前两个不足。
发明内容
针对上述现有技术状况，本发明的目的在于，提供一种高精度测向阵列结构设计方法，该方法通过对干涉仪阵列作一定的扩展，可以设计出最小阵元间距大于半波长的非等距阵列，增大阵列孔径并减小阵元间互耦效应，以提高阵列的测向精度，也为增大阵元孔径以探测更微弱信号预留一定的空间。现将本发明构思及方法步骤叙述如下本发明的基本构思是通过对阵元位置的优化以实现非等距阵列的布置，阵元位置的优化基于以下技术基础假设阵列是N元线阵，各阵元的位置为屯，i =0,1,…，N-1，其中Cltl为首阵元位置，其值为0。由空间谱估计理论可知，阵列波达方向估计中常用的MUSIC算法的测向协方差矩阵为Cw=-^(H-I)1Re H.(AHUA)T (H.I)"1⑴式中，σ 2为接收信号中的噪声功率，L为快拍数，I为单位矩阵，A为阵列流形矩阵，< · >表示Hadamard乘积运算，上标H表示矩阵的共轭转置，AhUA = P"1+ σ 2P"1 (AhA) ^1P"1(2)H = DhUX1D = Dh I-A(AhA)-1Ah DD = [cKDcKD …d(i3m)]
权利要求
1.一种高精度测向阵列结构设计方法，其特征在于在满足条件“阵元间距不小于设定值”且性能参数相同的所有阵列中，通过对阵元位置的优化以实现非等距阵列的布置，求得一系列阵列结构，使其静态方向图的旁瓣最低，具体设计步骤如下步骤1 确定最小阵元间距dmin，最大阵元位置dmax，所用阵元数N ； 步骤2 计算阵列可调布阵距离D = dfflax-(N-Ddffli 步骤3 对由性能参数G和旁瓣或栅瓣高度来表征的阵列进行优化设计； 步骤4:输出现有最优结果。
2.根据权利要求1所述的一种高精度测向阵列结构设计方法，其特征在于步骤3中所述的“对由性能参数G和旁瓣或栅瓣高度来表征的阵列进行优化设计”的具体步骤如下；步骤3. 1 设置最大迭代次数M，设置N-2维待优化变量Iv1, V2,…，vN_2}，这些变量分别与阵元位置dpi = 1,2,…，N-2相对应，设置总迭代次数k = 0，设置现有最优结果数目 M = 1，其对应的待优化变量为任意值，对应的阵列结构为任意值，其对应的阵列性能参数G 为0，其对应的旁瓣或栅瓣高度为无穷大；步骤3. 2 用粒子群算法或蚁群算法或遗传算法生成新的变量； 步骤3. 3 根据生成的新变量计算优化的阵元位置；步骤3. 4:由式(4)计算阵列性能参数G，由式(6)的主极大值与次极大值计算方向图旁瓣高度；
3.根据权利要求1 2任一所述的一种高精度测向阵列结构设计方法，其特征在于 步骤3. 3中所述的“根据生成的新变量计算优化的阵元位置”的具体步骤为步骤3. 3. 1 对所有待优化变量取绝对值，并计算总和s = abs (V1) +abs (V2) +··· +abs (vN_2)，其中abs ()为取绝对值函数；步骤 3. 3. 2 计算各阵元间距 Adi = DXabS(Vi)/S+dmin，i = 1，2，，N-2 ；步骤 3.3.3 计算各阵元位置屯=Δ Cl1+Δ d2+··· +Δ dpi = 1，2，^2，令(1。= 0, d^ =dmax °
4.根据权利要求1 3任一所述的一种高精度测向阵列结构设计方法，其特征在于 步骤3. 5中所述的“将步骤3. 4取得的所有结果加入现有最优结果中，然后逐个结果对比， 保留最优结果”的具体步骤为步骤3. 5. 1 计算现有最优结果数目L，设置临时最优结果为空集，设置序号1 = 1; 步骤3. 5. 2 如果现有最优结果中存在一个或多个结果的性能参数G大于第1个结果的性能参数，且它(们)的旁瓣或栅瓣高度低于第1个结果的旁瓣或栅瓣高度，转步骤 3. 5. 4 ；步骤3. 5. 3 将现有最优结果中第1个结果加入临时最优结果； 步骤3. 5. 4:令1 = 1+1，如果1 <=L转步骤3. 5.2; 步骤3. 5. 5 用临时最优结果替换现有最优结果。
全文摘要
本发明涉及一种用于波达估计的阵列结构设计方法。通过对阵元位置的优化以实现非等距阵列的布置，包括确定最小阵元间距dmin，最大阵元位置dmax，所用阵元数N；计算阵列可调布阵距离D＝dmax-(N-1)dmin；对由性能参数G和旁瓣或栅瓣高度来表征的阵列进行优化设计；输出现有最优结果等几大步骤。本发明方法通过优化设计，在保证阵元间距不小于某一特定值条件下，使测向阵列在测向精度与空间谱伪峰高度之间达到最优化，选用该方法设计的合适阵列可以在较少阵元条件下同时实现较低的空间谱伪峰与较高测向精度，并能使阵元间距突破半波长限制，以减小阵元间互耦效应，提高测向精度，也为增大阵元孔径探测更微弱信号预留一定空间，提供了一种行之有效的优化设计方法。
文档编号G01S3/00GK102353930SQ20111016642
公开日2012年2月15日 申请日期2011年6月20日 优先权日2011年6月20日
发明者刘志强, 王国华, 马红光 申请人:中国人民解放军第二炮兵工程学院