一种基于双重互质阵的相干方位估计方法与流程

本发明涉及一种基于双重互质阵的相干方位估计方法。

背景技术：

基于传感器阵列的方位估计在许多工程领域包括雷达、声纳、无线通信等有着十分广泛应用，至今，方位估计的研究已经经历了数十年的发展。直至现在，已经涌现许多方位估计方法，如常规波束形成、ESPRIT、MUSIC、相干法、MVDR等，然而算法的改进对提升目标的空间分辨力是有限的，为了改善这一不足，只能增加基阵孔径；但随阵元数增加，计算量将急剧增加，稀疏阵作为一种新颖的阵列结构能够在保证硬件规模(阵元数)一定的情况下保证对目标的分辨力；但由于采用稀疏阵列，阵元间距大于半波长，导致空间方位模糊，难以保证方位估计的可靠性；当前，解模糊算法包括长短基线法、余数定理法等，但当多个目标所在方位满足一定关系可能导致解模糊失败，所提出的双重互质传感器阵列能够克服这一问题。所提出的方法创新点在于巧妙挖掘方位模糊和相位模糊的内在联系，解出方位模糊亦可解出相位模糊，首先依据所提双重互质阵结构可靠地去除方位模糊，然后联系相位模糊，从而利用相干法解出高分辨、高可靠性的目标方位。相比传统均匀线阵，所提出的双重互质阵结构具有更低的计算量，更高的分辨力；相比传统稀疏阵，能够以更高的可靠性估计目标方位，外场试验数据处理验证所提方法具有较强的工程实用价值。

技术实现要素：

本发明旨在解决现有解模糊方法可靠性差而提出一种基于双重互质阵的相干方位估计方法。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

(1)建立双重互质稀疏传感器阵列结构，包含三个子阵，每个子阵由Q个等间距的阵元组成，且各子阵间阵元间距互质，采集空间目标的散射回波信号；

(2)根据采集的空间目标的散射回波信号，对于每一个传感器阵列，初步获取目标的方位信息，所述方位信息包含模糊方位；

(3)依据传感器阵列阵元间距互质的特性，对三个子阵获取的目标模糊方位信息进行解模糊得到目标方位范围；

(4)依据目标方位范围解相干法方位模糊效应，最终得到高精度、高分辨力的方位估计。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.步骤一中的三个子阵中的子阵1阵元间距为Nd、子阵2阵元间距为Md、子阵3阵元间距为Pd，d为单位阵元间距等于半波长λ/2，λ为波长；M,N,P为互质的整数。

2.步骤二中所述目标的方位信息分别为θa和θb，则目标的方位为：

式中：为子阵1估计的目标方位，为子阵2估计的目标方位，为子阵3估计的目标方位。

3.步骤四具体是：

根据基阵理论，各子阵常规波束形成的输出为：

子阵1：

子阵2：

子阵3：

其中，θj为导向矢量，B为波束数；

经过常规波束形成处理后主瓣宽度为：

引入基于双重互质阵解目标的大致方位和根据波束形成理论，粗搜目标大致方位与真实方位θa满足一下关系：

子阵1：

子阵2：

子阵3：

子阵常规波束形成的输出满足以下关系：

采用相干法解目标准确方位：

再依据

θa＝mean(θa_1,θa_2,θa_3)

得高可靠的目标方位，其中mean(·)是取均值函数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：传统解模糊方法难以保证多目标情况下解缠绕的可靠性，所提出的双重互质阵结构能够有效克服这一缺陷，巧妙挖掘方位模糊和相位模糊的内在联系，解出方位模糊亦可解出相位模糊，从而利用相干法解出高分辨、高可靠性的目标方位。相比传统均匀线阵，所提出的双重互质阵结构具有更低的计算量，更高的分辨力；相比传统稀疏阵，能够以更高的可靠性估计目标方位，外场试验数据处理所提方法具有较强的工程实用价值。

本发明旨在提高对空间目标的分辨力，并降低大孔径均匀阵列带来的计算量(计算量与阵元数成正比，相比均匀线阵，稀疏阵阵元数较少)，采用一种新颖的双重互质稀疏传感器阵列，采集空间目标的散射回波信号，依据传感器阵列互质的特性解决空间目标方位的模糊效应，能够提高对空间目标方位估计的可靠性和准确度。

附图说明

图1是双重互质阵结构图；

图2是基于双重互质阵解模糊原理框图；

图3是基于双重互质阵等效传感器阵列结构；

图4是基于双重互质阵的相干方位估计方法流程图；

图5是基于传统互质阵的海底目标(地形)方位图；

图6是基于双重互质阵的海底目标(地形)方位图；

图7是奇异点对应的波束输出图案。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图7，本发明的一种基于双重互质阵的相干方位估计方法，步骤如下：

(1)建立双重互质稀疏传感器阵列结构，其主要包含三个阵元间距均互质的传感器阵列采样模型，采集空间目标的散射回波信号；

(2)根据采集的空间目标的散射回波信号，对于每一个传感器阵列，采用常规的方位估计方法，例如波束形成、ESPRIT、MUSIC、Root-MUSIC等，初步获取目标的方位信息(包含模糊方位)；

(3)依据传感器阵列阵元间距互质的特性，对三个子阵获取的目标模糊方位信息(包含模糊方位)进行解模糊得到目标方位范围。

(4)依据目标方位范围解相干法方位模糊效应，最终得到高精度、高分辨力的方位估计。

具体的：建立用于采集空间目标的散射回波信号的双重互质稀疏传感器阵列，其主要包含三个阵元间距均互质的传感器阵列(见图1)。

双重互质阵包含3条稀疏均匀线阵。其中，子阵1阵元间距为Nd，子阵2阵元间距为Md，子阵3阵元间距为Pd，d为单位阵元间距等于半波长(λ/2)，λ为波长；M,N,P为互质的整数(M,N,P的最大公约数为1)，为保证各子阵信噪比近似，各子阵采用相同的阵元数，也即Q；

具体的：由双重互质阵采集的目标散射回波信号，采用常规的方位估计方法，例如常规波束形成、ESPRIT、MUSIC、Root-MUSIC等，初步获取目标的方位信息(包含模糊方位)，下文以常规波束输出为例。设2个目标方位分别为θa和θb，采用常规的方位估计方法得到目标的方位为：

其中为子阵1估计的目标方位，为子阵2估计的目标方位，为子阵3估计的目标方位。

具体的：结合各子阵估计的目标方位(包含模糊方位)估计目标的大致方位，依据各子阵间距互质的特性解方位模糊。

特别地，当目标所在方位满足以下两种情况：

情况1：

情况2：

若仅采用子阵1，子阵2，除了解出真实的目标方位以外，还会存在多目标的模糊方位干扰，导致解方位模糊失败，根据权利要求1所述的一种基于双重互质阵的相干方位估计方法通过增加额外的子阵3，由于M,N,P是互质的整数，对于情况1，由3个子阵估计的方位具有如下关系：

对于情况2也同理，因而能够彻底去除此方位模糊，保证目标估计方位的可靠性，详细说明如图2所示。

实线箭头对应位置为目标a的位置，虚线箭头对应位置为目标b的位置，从子阵1和子阵2估计的方位中，在所有目标模糊方位中搜索最接近的方位，能够得到4个方位，其中黑色方框为真实方位，虚线方框中为虚假方位，因而仅采用2条互质阵不能可靠估计目标方位。当增加子阵3时，同理在所有目标模糊方位中搜索最接近的方位，能够从点划线方框中解出目标的大致方位和(由于子阵孔径的限制，所解方位不是严格准确的，只能解出目标的大致方位)。

具体的：结合双重互质阵估计的目标范围(包含模糊方位)估计目标方位的范围，依据相干法原理得到高分辨的目标方位估计。

根据基阵理论，各子阵常规波束形成的输出为

子阵1：

子阵2：

子阵3：

其中，θj为导向矢量，B为波束数。

根据波束形成理论，三个子阵等效为三个阵元(见图3所示)。黑色箭头为真实的目标方位，经过常规波束形成处理后主瓣宽度为

引入基于双重互质阵解目标的大致方位和下面以目标方位为例，根据波束形成理论，粗搜目标大致方位与真实方位θa满足一下关系：

子阵1：

子阵2：

子阵3：

子阵常规波束形成的输出满足以下关系：

显然地，以上相位是无模糊的。

下面可采用相干法解目标准确方位：

再依据

θa＝mean(θa_1,θa_2,θa_3) (9)

可得高可靠的目标方位。

总结算法流程如下：

1.针对双重互质阵中的每个子阵采用常规波束形成方法得到B个波束输出，并挑选最大的谱峰作为目标方位(包含模糊相位)；

2.从所有子阵估计的目标方位(包含模糊相位)中搜索最接近的目标方位，也即std(·)为标准差函数，为基于子阵1，2和3解出的大致目标方位。

3.依据大致目标方位，可巧妙缩减波束输出相位至无模糊相位范围内，然后结合相干法可得高可靠性、高分辨力目标方位(如图4所示)。

为了验证算法的有效性，应用水声换能器均匀阵列(100通道)采集海底目标的回波信号，由均匀线阵中挑选对应子阵构建双重互质阵，子阵1阵元间距为5d，子阵2阵元间距为3d，子阵3阵元间距为2d，各子阵阵元数为11。分别用所提的方法和常规方法进行比较。

图5为采用子阵1和子阵2构成的互质阵估计海底(目标)的方位，由图可见，传统互质阵不能可靠估计目标方位。图6为采用子阵1、2、3构成的双重互质阵估计的目标方位(“*形线”)。采用传统均匀线阵(100通道)估计目标的方位如图中(“o形线”)所示。由图可见，基于双重互质阵估计的目标方位具有更高的分辨力，且具有更低的计算量(阵元数少)，相比传统互质阵，可靠性更高(多目标无耦合效应)。

为说明以上问题，取出传统互质阵解目标回波方位中相位模糊标记处(奇异点)对应的波束形成输出见附图7，由图可见共有4个疑似目标，方位值见下表所示：

表.1疑似目标的方位

由上表可见，若仅仅采用子阵1、2估计目标方位，由于噪声的影响，目标B和D判断为目标方位，然而真实的目标方位为A和D，当增加子阵3，也即构建双重互质传感器阵列可去除此虚假的目标方位，得到真实可靠的目标方位。所提方法具有低系统复杂度、高分辨力、高可靠的目标估计性能，具有良好的工程实用价值。

综上，本发明提供了一种基于双重互质阵的相干测深方法。本发明包括：为了提高对空间目标的分辨力，降低大孔径均匀阵列带来的计算量，采用一种新颖的双重互质稀疏传感器阵列，采集空间目标的散射回波信号，依据传感器阵列互质的特性解决空间目标方位的模糊效应，能够提高对空间目标方位估计的可靠性和准确度。所提出的方法创新点在于巧妙挖掘方位模糊和相位模糊的内在联系，解出方位模糊亦可解出相位模糊，首先依据所提双重互质阵结构可靠地去除方位模糊，然后联系相位模糊，从而利用相干法解出高分辨、高可靠性的目标方位。相比传统均匀线阵，所提出的双重互质阵结构具有更低的计算量，更高的分辨力；相比传统稀疏阵，能够以更高的可靠性估计目标方位，所提方法具有较强的工程实用价值。