一种单基地对称互质阵MIMO系统及混合场定位方法

本发明属于混合场定位，具体涉及一种单基地对称互质阵mimo系统及混合场定位方法。

背景技术：

1、多输入多输出(multiple-input multiple-output，mimo)技术在雷达和声纳目标探测和定位领域受到了广泛的关注。与传统被动定位系统相比，单基地mimo系统可以主动地向目标发射辐射进行定位，并可以提供更多的自由度进而提高参数的可识别性和角度分辨率，实现较高的定位性能。在单基地mimo系统中，发射阵列和接收阵列的配置对定位算法性能具有重要影响。在混合场的情景下，不仅要估计信号的到达角度(direction ofarrival，doa)还要估计信号的距离，并且要求mimo的发射阵列和接收阵列都是对称的阵列。

2、在一般的混合场定位mimo系统中，发射阵列和接收阵列都是对称的密集均匀线阵(ulma)。近年来，稀疏阵列技术兴起，该技术也被用于mimo系统中。利用结构稀疏技术后的mimo系统可以在相同天线数目的条件下实现更多的自由度和更大的阵列孔径，实现更高的参数估计性能。例如基于设置的嵌套mimo系统和互质mimo系统，结合和协阵列的差分阵数组构成虚拟阵列，实现更多源的估计和定位。进一步的，还可进一步通过对mimo系统的收发阵列的改进以进一步提升性能，如将发射阵列设置为嵌套阵列，接收阵列设置为间距成倍扩大的嵌套阵列，且在工作时利用计算和协阵列的差分协阵列以获得更多的自由度。

3、然而上述现有的mimo系统却只实现了远场源的定位，由于收发阵列结构不具备对称性，不能实现混合场的定位。此外，文献《j.shi,g.hu,x.zhang,and y.xiao,“symmetricsum coarray based co-prime mimo configuration for direction of arrivalestimation,”aeu,int.j.electron.commun.,vol.94,pp.339–347,sep.2018》提出了两种单基地mimo系统，两种mimo系统的收发阵列结构为对称嵌套结构(snma)和对称互质结构(scma)，符合混合场定位对阵列结构的要求，且其和协阵列的差分阵具有良好的连续特性和更大的阵列孔径，实现了更精准的定位性能，但在该系统只实现了远场定位，未实现混合场的定位。

4、目前，混合场定位的单基地mimo系统的重点就在于寻找合适的收发阵列结构使得其和协阵列的差分阵达到更高的自由度和更大的阵列孔径，同时根据其工作原理提出适用于该装置的准确的定位方法。但现有的这方面的研究较为缺乏，一方面目前符合对称条件的mimo收发阵列十分少且阵列自由度有限，另一方面，目前的算法研究大都集中在被动阵列的混合源估计或者单基地mimo系统的纯远场或纯近场定位，对单基地mimo系统混合场的定位算法研究不足。因此，设计出自由度高的专门用于混合场的单基地mimo系统具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明提供了一种单基地对称互质阵mimo系统及混合场定位方法，以实现自由度高的混合场单基地定位装置，并有效提升混合场定位精度。

2、一方面，本发明提供了一种单基地对称互质阵mimo系统，其包括一个呈线性分布且位于同一直线上的发射阵列和接收阵列；

3、其中，

4、发射阵列为包括个阵元的均匀线性阵列，阵元间距为单位阵元间距d＝λ/4，λ为载波波长；

5、接收阵列包括子阵1、子阵2和发射阵列的中心阵元(也是单基地对称互质阵mimo系统的中心阵元)，其中，子阵1和子阵2具有相同的阵列结构，均为包括m1-1个阵元的均匀线性阵列，其子阵内的阵元间距为d2＝n1d，且子阵1与子阵2分别位于中心阵元的两侧，其与中心阵元之间的间距均为d3＝(m1n1-1)d；

6、其中，正整数m1,n1,满足：m1与n1互质，n1＞m1≥2，正整数p∈[2,m1]。

7、进一步的，发射阵和接收阵的阵元数具体设置为：若阵元总数能除以4余1，则选取m1＝(q+3)/4,n1＝(q+1)/2；若q能除以4余3，则选取m1＝(q+5)/4,n1＝(q-1)/2。

8、进一步的，正整数p的值设置为2。

9、另一方面，本发明还提供了一种混合场定位方法，所述方法包括下列步骤：

10、步骤1：基于本发明提供的一种单基地对称互质阵mimo系统布置天线阵列，即一种线性的发射阵列和接收阵列对称的定位装置；

11、建立线性数轴表示位置坐标，定义中心阵元为原点(0位置)，得到发射阵列和接收阵列的各阵元的位置坐标，记发射阵列的每个阵元位置索引为ptm，接收阵列的每个阵元位置索引为prn，其中m∈[-m,m]，n∈[-n,n]，n＝m1-1；

12、步骤2，发射阵列向外发射辐射信号，接收阵列对返回的信号进行接收并经匹配滤波得到接收信号x(t)；

13、接收信号x(t)表示为：

14、x(t)＝ansn(t)+afsf(t)+n(t)

15、其中，sn(t)表示近场信号源矢量，sf(t)表示远场信号源矢量，an＝ant⊙anr表示近场阵列流型矩阵，ant表示k1个近场目标的近场信号所对应的近场发射阵列的导向矢量构成的维近场发射阵列流型矩阵，anr表示k1个近场目标的近场信号所对应的近场接收阵列的导向矢量构成的维近场接收阵列流型矩阵，k1表示近场目标数，af＝aft⊙afr表示远场阵列流型矩阵，aft表示k-k1个远场目标的远场信号所对应的远场发射阵列的导向矢量构成的维远场发射阵列流型矩阵，anr表示k-k1个远场目标的远场信号所对应的远场接收阵列的导向矢量构成的维远场接收阵列流型矩阵，k表示混合近场和远场的目标数，n(t)表示噪声矢量；

16、步骤3，求和协阵列并去冗余；

17、基于阵元位置索引ptm和接prn得到和协阵列的阵元位置索引h＝ptm+prn；

18、基于阵元位置索引h，从af中提取与当前阵元位置索引h对应的项相同的行，对提取出若干行，在af中仅保留一行，且该行的元素值为提取出的所有行的均值，重复该操作直至af中不包含与阵元位置索引h对应的重复项，得到去冗余信号并将除冗余后的和协阵列记为hk,k∈[-qs,qs]，2qs+1是去除冗余的和协阵列数目；

19、步骤4，基于去冗余信号进行远场doa估计；

20、基于信号计算其对应的协方差矩阵r并进行特征分解，基于前k个最大特征值所组成的对角矩阵得到信号子空间，基于前2qs+1-k个最小特征值所组成的对角矩阵得到噪声子空间；

21、基于信号子空间和噪声子空间，采用music算法进行谱搜索，基于谱峰搜索结果中对应的k-k1个最大的峰值得到远场doa估计结果；

22、步骤5，分离远近场信号：

23、基于远场doa估计结果得到远场阵列流型矩阵估计根据公式计算斜投影矩阵：

24、提取出远场分量的近场信号

25、其中，表示2qs+1阶单位矩阵，表示伪逆算子；

26、步骤6：计算四阶统计量，对向量化后的信号构建空间平滑矩阵：

27、计算的四阶统计量并向量化，生成由和协阵列的差分阵组成的虚拟阵列，对虚拟阵列的接收信号矢量进行空间平滑，再基于空间平滑后的接收信号矢量计算其协防差矩阵，得到平滑矩阵rss；

28、步骤7，对平滑矩阵rss进行特征分解，基于前k1个最大特征值所组成的对角矩阵得到信号子空间，基于前2qs+1-k1个最小特征值所组成的对角矩阵得到噪声子空间；

29、基于信号子空间和噪声子空间，采用music算法进行谱搜索，基于谱峰搜索结果中对应的k1个最大的峰值得到近场doa估计结果；

30、步骤8，近场范围估计：

31、计算x(t)的协方差矩阵r'；

32、对矩阵进行特征分解，基于前k1个最大特征值所组成的对角矩阵得到信号子空间，基于前个最小特征值所组成的对角矩阵得到噪声子空间；

33、基于噪声子空间和近场doa的估计值，采用music算法进行谱搜索，基于谱峰搜索结果中对应的k1个最大的峰值得到近场的距离估计结果。

34、本发明提供的技术方案至少带来如下有益效果：

35、本发明所提出的单基地对称互质阵mimo系统及混合场定位方法可以有效提升混合场估计时的定位效果。本发明所提对称互质阵mimo系统相比其它对称mimo系统具有更大的物理阵列孔径和更高的虚拟阵列自由度，可以有效提高定位的精度，且阵元之间间距较大，可以有效降低阵列之间的互耦作用；本发明所提出的一种混合场定位方法有效解决了稀疏对称mimo阵列的混合场估计问题，且通过计算其和协阵列的差分阵的虚拟阵列信号，进一步提高了系统的定位性能。