一种改进互质阵列结构及改进互质阵列的DOA估计方法、计算机及存储介质

本发明属于阵列信号处理。

背景技术：

1、波达方向(doa)估计是利用天线阵列的几何结构和信号处理算法，通过对接受到的信号进行处理，获得信号源的入射方向。doa估计的精度会收到阵列孔径影响，阵列孔径越大，doa估计精度越高。受奈奎斯特采样定理限制，传统天线间阵元间距不能大于入射信号波长的一半，阵列孔径会受到约束，阵元间会产生互耦效应。此外，传统天线阵元可识别的目标数还会受限于阵列中的阵元数目，即目标数不能超过天线阵元数。稀疏阵列可以突破入射信号半波长的阵元间距限制，具有较大阵列孔径和较低的耦合度。常见的稀疏阵列有最小冗余阵列、嵌套阵列和互质阵列。最小冗余阵列没有闭合形式表达式，在固定的阵元数下无法确定阵列的自由度大小。嵌套阵列和互质阵列具有阵列闭式解且自由度更高。在进行稀疏阵列doa估计的过程中会对阵列进行虚拟阵列构造，通常是利用虚拟阵列的连续部分，传统阵列结构对应虚拟阵列的连续部分较少，从而导致自由度和虚拟阵列的浪费。

2、传统互质阵列结构由两个子阵组成。子阵1是阵元间距为nd，阵元数为m的均匀线阵，子阵2是阵元间距为md，阵元数为n的均匀线阵。m和n是互质整数，m<n,d≤λ/2。将两个均匀线阵以共同使用第一个阵元的方式组合成阵元数为m+n-1的阵列，即为传统互质阵。在此基础上，有学者提出了扩展互质阵列结构，通过在传统互质阵列的基础上将子阵1的m个阵元增加至2m，子阵2的阵元数目不变，阵元总数为2m+n-1。这两种阵列结构的虚拟阵元连续部分都不够多。

技术实现思路

1、本发明解决现有的阵列结构虚拟阵列连续部分不够多，连续自由度低以及阵列孔径不够大的问题。

2、本发明提供以下技术方案：

3、方案一、一种改进的互质阵列结构，所述改进的互质阵列包括三个子阵，分别为子阵1、子阵2和子阵3，子阵1是阵元间距为nd、阵元数为m的均匀线阵，子阵2是阵元间距为md、阵元数为n的均匀线阵，子阵3是阵元间距为nd、阵元数为m的均匀线阵；m和n是互质整数，m<n，所述子阵1中的阵元和子阵2中的阵元交替排布，在所述叠加后的子阵上补充子阵3，所述补充的子阵3的第一个阵元与叠加后的形成的阵列的最后一个阵元之间的距离为nd，即得到阵元数为2m+n-1的改进的互质阵列结构。

4、进一步的，提供一种优选实施方式，子阵1的位置集合为子阵2的位置集合为子阵3的位置集合为其中l表示子阵3中第l个阵元，则改进的互质阵列阵元位置集合为

5、进一步的，提供一种优选实施方式，所述m＝3，n＝11。

6、方案二、一种改进互质阵列的doa估计方法，所述改进互质阵列的doa估计方法采用方案一中任意一项所述改进的互质阵列结构实现，所述改进互质阵列的doa估计方法为：

7、s1、对子阵1、子阵2、子阵3中阵元位置集合进行求差获得求差虚拟阵列：

8、

9、s2、对子阵1、子阵2、子阵3中阵元位置集合进行求和获得求和虚拟阵列：

10、

11、获得求和虚拟阵列；

12、其中，为正方向的求和虚拟阵列，为负方向的求和虚拟阵列；si表示改进互质阵列位置集合中第i个阵元位置坐标，sj表示改进互质阵列位置集合中第j个阵元位置坐标。

13、s3、将差分虚拟阵元和求和虚拟阵元进行合并，得到求和求差虚拟阵元位置集合

14、

15、s4、将上述步骤中的改进互质阵列作为接收阵列，接收k个信号源，将接收的信号源协方差矩阵进行向量化，得到向量协方差矩阵v，采用空间平滑方法得到新的协方差矩阵，基于得到的新的协方差矩阵进行doa估计。

16、进一步的，提供一种优选实施方式，s1中得到的所述差分虚拟阵元坐标处于-(2mn-m)d到(2mn-m)d之间，其中连续虚拟阵元处于(-mn-n+1)d到(mn+n-1)d之间，其中，d<λ/2,λ为入射信号波长。

17、进一步的，提供一种优选实施方式，s2中得到的求和虚拟阵列其阵元位置坐标处于-(4mn-2m)d到(4mn-2m)d之间。

18、方案三、计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行方案二中任意一项所述的方法。

19、方案四、计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现方案二中任一项所述的方法的步骤。

20、本发明与现有技术其不同之处在于：

21、本发明所述的改进的互质阵列结构是在扩展互质阵列结构的基础上加以改进。原有的扩展互质阵是在传统互质阵的基础上将子阵1的m个阵元增加至2m个阵元。本发明中改进的互质阵是将这增加的m个阵元增加到子阵2上，提高了阵列孔径，增大了连续自由度。并给出了改进阵列结构虚拟阵列的阵元坐标、连续自由度以及阵列孔径。

22、本发明的有益之处在于：

23、本发明在扩展互质阵列结构的基础上加以改进，采用求和求差的方式构建虚拟阵列。在阵元数均为2m+n-1(m<n)的情况下，改进互质阵列可以获得的连续自由度为4mn+2n-1，阵列孔径为m(2n-1)d，相比于扩展互质阵列经求和求差获得的虚拟阵列连续自由度可以提高2(n-m)，阵列孔径可以增大(n-m)d。在阵元数、快拍数以及信噪比相同的实验条件下，改进互质阵列相比于传统互质阵列以及扩展互质阵列可以获得更高的doa估计精度。总的而言，改进互质阵列与扩展互质阵列一样能够使阵元间距不受奈奎斯特定理限制，减少阵元间互耦影响，同时改进互质阵列可以提供更大的连续自由度以及连续孔径，在估计精度、角分辨率等方面有更好的性能。

24、本发明还适用于阵列信号处理实验中。

技术特征：

1.一种改进的互质阵列结构，所述改进的互质阵列包括三个子阵，分别为子阵1、子阵2和子阵3，子阵1是阵元间距为nd、阵元数为m的均匀线阵，子阵2是阵元间距为md、阵元数为n的均匀线阵，子阵3是阵元间距为nd、阵元数为m的均匀线阵；m和n是互质整数，m<n,其特征在于，所述子阵1中的阵元和子阵2中的阵元交替排布，所述子阵3的第一个阵元与子阵2最后一个阵元相距nd,子阵3视为子阵1向右平移(mn+n-m)d个单位形成，子阵3与子阵1和子阵2进行叠加，得到改进的互质阵列结构。

2.根据权利要求1所述的改进的互质阵列结构，其特征在于，子阵1的位置集合为s1＝{m×nd,0≤m≤m-1}；子阵2的位置集合为s2＝{n×md,0≤n≤n-1}；子阵3的位置集合为s3＝{(n-1)×md+l×nd,1≤l≤m}；其中l表示子阵3中第l个阵元，则改进的互质阵列阵元位置集合为

3.根据权利要求1所述的改进的互质阵列结构，其特征在于，所述m＝3,n＝11。

4.一种改进互质阵列的doa估计方法，其特征在于，所述改进互质阵列的doa估计方法采用权利要求1-3中任意一项所述改进的互质阵列结构实现，所述改进互质阵列的doa估计方法为：

5.根据权利要求4所述的改进互质阵列的doa估计方法，其特征在于，s1中得到的所述差分虚拟阵元坐标sdiffer处于-(2mn-m)d到(2mn-m)d之间，其中连续虚拟阵元处于(-mn-n+1)d到(mn+n-1)d之间，其中，d<λ/2,λ为入射信号波长。

6.根据权利要求4所述的改进互质阵列的doa估计方法，其特征在于，s2中得到的求和虚拟阵列ssum+，其阵元位置坐标处于-(4mn-2m)d到(4mn-2m)d之间。

7.计算机设备，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行权利要求4-6任意一项所述的方法。

8.计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求4-6任一项所述的方法的步骤。

技术总结
本发明提供了一种改进互质阵列结构及改进互质阵列的DOA估计方法、计算机及存储介质，涉及阵列信号处理领域。解决了现有的阵列结构虚拟阵列连续部分不够多，连续自由度低以及阵列孔径不够大的问题。本发明提供以下方案，一种改进的互质阵列结构，包括三个子阵，分别为子阵1、子阵2和子阵3，所述子阵1中的阵元和子阵2中的阵元交替排布，所述子阵3的第一个阵元与子阵2最后一个阵元相距Nd,子阵3视为子阵1向右平移(MN+N‑M)d个单位形成，子阵3与子阵1和子阵2进行叠加，得到改进的互质阵列结构。一种改进互质阵列的DOA估计方法，改进互质阵列的DOA估计方法采用上述改进的互质阵列结构实现，适用于阵列信号处理实验中。

技术研发人员：廖艳苹,张大可,郝琳琳,秦崇翔,何怡寒,邢婵娟
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12