基于混合模拟数字阵列架构设计的DOA估计方法

本发明涉及一种基于混合模拟数字阵列架构设计的doa估计方法，属于信号处理。

背景技术：

1、波达方向(direction-of-arrival,doa)估计是阵列信号处理领域的一个重要分支，它是指利用阵列天线接收空域信号，并通过统计信号处理技术和各类优化方法对接收信号进行处理，以恢复入射信号的来向信息，在雷达、声呐、语音和无线通信等领域有着广泛的应用。

2、超大规模阵列是大规模阵列的演进，其部署了极其大量的天线，数量可以达到上千，会给doa估计带来超高的角度分辨率和精度。但是，由于天线数量过于庞大，要求同等规模的射频(radio frequency,rf)链路数与之匹配，其中包含模数转换器(analog todigital converter,adc)等造价昂贵的器件，极大增加了硬件成本和能耗。

3、为了解决高硬件成本和能耗的问题，具有有限rf链的混合模拟数字(hybridanalog and digital,had)阵列架构被广泛采用，在子连接had架构下，移相器数等于天线数，多个移相器连接到一个rf链上，不仅易于集成，并且容易扩展。但是had架构会带来相位模糊问题，需要多个时隙来消除这种相位模糊，随着子阵列天线数量的增加，doa测量延迟将线性增长，需要设计低复杂度had架构以进行doa估计。同时，由于had架构发生改变，阵列输出与传统had阵列输出不同，需要设计基于混合模拟数字阵列架构设计的doa估计方法。

4、上述问题是在基于混合模拟数字阵列架构设计的doa估计过程中应当予以考虑并解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于混合模拟数字阵列架构设计的doa估计方法解决现有技术中存在的现有的had架构会导致相位模糊，且复杂度有待降低的问题。

2、本发明的技术解决方案是：

3、一种基于混合模拟数字阵列架构设计的doa估计方法，包括以下步骤，

4、s1、在接收端架构混合模拟数字阵列，混合模拟数字阵列采用低复杂度had阵列架构；

5、s2、利用架构的混合模拟数字阵列接收入射信号并建模；

6、s3、设计模拟移相器网络的初始值；

7、s4、计算低复杂度had阵列架构的差分虚拟阵列的接收信号

8、s5、根据差分虚拟阵列的接收信号通过经典测向算法得到初始角度估计值

9、s6、利用得到的初始角度估计值重新设计移相器网络权重后，得到差分虚拟阵列输出信号，由经典测向算法得到doa估计结果

10、进一步地，步骤s1中，混合模拟数字阵列采用低复杂度had阵列架构，具体为，

11、s11、混合模拟数字阵列采用低复杂度had阵列架构，混合模拟数字阵列包含n个阵元，被划分为k个子阵列；

12、s12、k个子阵列中的第一个子阵列含有m1个阵元，每个阵元连接到一个rf链，后k-1个子阵列中每个子阵列含有m2个阵元，其中，m2＝m1+1；

13、s13、将每个rf链的输出看作一个虚拟阵元的输出，整体虚拟阵列的结构表现为二级嵌套阵列，虚拟阵元位置集为s＝{q1,q2,...,qi,...,qi}＝{0,1,...,m1-1,m1,2m2-1,...,(k-1)m2-1}，qi为第i个虚拟阵元的位置索引。

14、进一步地，步骤s2中，利用架构的混合模拟数字阵列接收入射信号并建模，具体为，

15、s21、假设远场窄带信号以方位角θ入射情况，阵列接收信号可表示为

16、

17、其中，为信号源，s(t)为基带信号，t为时间，j为虚数单位，fc为载波频率，n(t)为加性高斯白噪声，a(θ)是阵列流形向量，表示为a(θ)＝[1,ejπsin(θ),...,ejπ(n-1)sin(θ)]t，其中，e为自然常数，n为阵元数，(·)t表示转置；

18、s22、经过模拟移相器网络进行相位校准，校准后的接收信号表示为

19、

20、其中，(·)h表示转置共轭，v是模拟波束成形矩阵，表示为其中，第一个子阵列的权重矩阵，表示m1×m1维单位矩阵，vk表示第k个子阵列的模拟波束成形向量，其中，k≥2，w(t)为噪声，表示为w(t)＝vhn(t)；

21、s23、校准后的接收信号经过并行rf链，被下变频为基带信号y(t)＝vha(θ)s(t)+w(t)，该基带信号经过模数转换器adc产生输出信号y(n)＝vha(θ)s(n)+w(n)，其中，y(n)为输出信号，s(n)为信号，w(n)为加性高斯白噪声，n表示快拍数。

22、进一步地，步骤s3中，设计模拟移相器网络的初始值，具体为，k≥2时，第k个子阵列的模拟波束成形向量vk：[r1](:,1)表示矩阵r1的第1列，其中，e[·]表示求期望，x1(n)为前m2个阵元的阵列接收信号。

23、进一步地，步骤s4中，计算低复杂度had阵列架构的差分虚拟阵列的接收信号具体为，

24、s41、阵列输出信号的协方差矩阵表示为

25、

26、其中，表示入射信号功率，表示噪声功率，d是增益系数矩阵，表示二级嵌套阵列的阵列流形向量，其中，e为自然常数，j表示虚数单位，n为阵元数，(·)t表示转置，q1...qi为第1-i个虚拟阵元的索引，b＝vhv，其中，v是模拟波束成形矩阵，(·)h表示转置共轭；

27、s42、对阵列输出信号的协方差矩阵ryy进行矢量化操作得到矢量：

28、

29、其中，vec(·)表示矢量化操作，表示kronecker积运算，b＝vec(b)；

30、s43、得到阵列理想情况下的增益矩阵为

31、

32、其中，im1表示m1×m1维单位矩阵，m2为第2-k个子阵列中每个子阵列含有的阵元数，ik-1表示(k-1)×(k-1)维单位矩阵；

33、s44、令矢量对二级嵌套阵列的物理阵元求差得到它的差分虚拟阵列，按照差分虚拟阵列中元素的顺序，对矢量z′进行去冗余、重排，得到差分虚拟阵列的接收信号。

34、进一步地，步骤43中，得到阵列理想情况下的增益矩阵，具体为，

35、在模拟移相器相位与入射角度精确对准的理想情况下，即理想模拟波束成形向量时，其中k≥2，第2-k个子阵列增益其中，为第k个子阵列的导向矢量，其中|·|表示绝对值运算，因此，得到阵列理想情况下的增益矩阵为

36、

37、其中，表示m1×m1维单位矩阵，m2为第2-k个子阵列中每个子阵列含有的阵元数，ik-1表示(k-1)×(k-1)维单位矩阵。

38、进一步地，步骤s5、s6中，经典测向算法采用空间平滑方法、稀疏重构压缩感知doa估计方法。

39、进一步地，步骤s6中，利用得到的初始角度估计值重新设计移相器网络权重后，得到差分虚拟阵列输出信号由经典测向算法得到doa估计结果具体为，

40、s61、利用初始角度估计值重新设计移相器网络权重，此时输出信号为r(n)＝vha(θ)s(n)+w(n)，其中，s(n)为信号，w(n)为加性高斯白噪声，n表示快拍数，其中，a(θ)是阵列流形向量，v是模拟波束成形矩阵，表示为其中，表示m1×m1维单位矩阵，第k个子阵列的模拟波束成形向量其中，k≥2；

41、s62、对于输出信号r(n)，计算得到差分虚拟阵列的接收信号

42、s63、根据差分虚拟阵列输出信号通过经典测向算法得到doa估计结果

43、进一步地，步骤s62中，对于输出信号r(n)，计算得到差分虚拟阵列的接收信号具体为，

44、s621、输出信号r(n)的协方差矩阵为

45、

46、其中，表示入射信号功率，表示噪声功率，d1是增益矩阵，表示二级嵌套阵列的阵列流形向量，其中，e为自然常数，j为虚数单位，qi为第i个虚拟阵元的索引，b＝vhv，其中，v是模拟波束成形矩阵，(·)h表示转置共轭；

47、s622、对协方差矩阵rrr进行矢量化操作，

48、

49、其中，vec(·)表示矢量化操作，表示kronecker积运算，p为信号功率，b＝vec(b)；

50、s623、令矢量对二级嵌套阵列的物理阵元求差得到它的差分虚拟阵列，按照差分虚拟阵列中元素的顺序，对矢量r′进行去冗余、重排，得到差分虚拟阵列的接收信号

51、本发明的有益效果是：

52、一、该种基于混合模拟数字阵列架构设计的doa估计方法，通过设计一种新型had阵列架构，充分利用嵌套阵列的特性，能够有效避免相位模糊和波束扫描的问题，能够降低成本与复杂度，并在一定程度上保证doa估计精度。

53、二、本发明，与现有技术相比，通过将had阵列架构和嵌套阵的思想相结合，有效降低了硬件成本和复杂度。

54、三、该种基于混合模拟数字阵列架构设计的doa估计方法，通过二次设计移相器网络权重向量，能够有效贴近全数字阵列架构估计性能，可用于超大规模阵列波达方向估计场景。