基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法及装置

本发明属于阵列天线信号处理，特别涉及一种基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法及装置，适用于基于混合远近场信源设计出的嵌套阵列天线。

背景技术：

1、在第五代移动通信(5g)中，大规模阵列天线被广泛应用，目标信源到阵列天线的距离被视为无穷远，信号的波前可以近似为均匀平面波，此时信源模型为远场模型，对于一维阵列天线，目标信源的位置由方位角一个参数决定。然而在预研的第六代移动通信系统(6g)中，超大天线阵列(extremely lagre antenna array,elaa)成为关键技术，目标信源模型为近场模型。与远场模型不同的是，此时信源距离阵列天线的距离太小，信号波前固有曲率无法忽略不计，波前由球面波来表示。因此，目标信源的位置参数由方位角和距离两个参数决定，增加了重要的距离信息，这是近场或混合场阵列天线的一大独特性。由此可见，远场信源定位只是近场信源定位的一种特殊形式。实际工程当中，混合场信源定位同时包含近场信源和远场信源，因此对于混合场的研究具有非常重要的实际意义。

2、基于混合远近场信源的嵌套阵列天线，以入射信号的四分之一波长为单位阵元间距，将阵元非等间距排布。然而，阵列天线中较小的阵元间距会导致一系列问题，例如部分阵元之间互耦泄露严重，导致阵列天线的空间分辨率降低和参数估计性能严重下降。因此，对于基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除的问题，研发出对应的方法至关重要。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法及装置，通过估计出阵列天线的互耦参数，从而进行互耦补偿，实现消除互耦干扰。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

3、本发明提供了一种基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，包含以下步骤：

4、根据未知互耦矩阵、近场阵列流型、远场阵列流型、近场信源、远场信源和噪声对阵列天线接收信号进行建模；

5、由单位矩阵i和互耦参数不为1的互耦参数矩阵c共同构建未知互耦矩阵ce；

6、当未知互耦存在时，构建导向矢量表达式，且将导向矢量转化为两个子矩阵之和的形式；

7、根据导向矢量构建互耦参数矩阵c，随后根据信号子空间与噪声子空间正交原理将互耦参数估计问题转化为doa和互耦参数的联合优化问题，再通过对doa和互耦参数进行一维搜索，求解doa估计值和互耦参数估计值

8、利用互耦参数估计值构成未知互耦矩阵的估计值对未知互耦矩阵ce进行补偿。

9、根据本发明基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，优选地，对阵列天线接收信号建模，建模表达式如公式(1)：

10、x(t)＝ceaffsff(t)+ceanfsnf(t)+n(t)       (1)

11、式中，x(t)是阵列天线接收信号，ce是未知互耦矩阵，anf是近场阵列流型，aff是远场阵列流型，snf(t)是近场信源，sff(t)是远场信源，n(t)是噪声，t是时间。

12、根据本发明基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，优选地，未知互耦矩阵ce的表达式如公式(2)：

13、

14、式中，q是均匀直线子阵传感器总数，t是阵列传感器总数，i是单位矩阵，c是未知互耦矩阵ce中互耦参数不为1的矩阵。

15、根据本发明基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，优选地，当未知互耦存在时，导向矢量表达式如公式(3)：

16、a(θ,r,c)＝cea(θ,r)＝q[a(θ,r)]c  (3)

17、式中，θ是波达方向，记为doa，r是距离参数，c是互耦参数，q表示将互耦参数c分离后仅包含导向矢量[a(θ,r)]的新矩阵。

18、根据本发明基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，优选地，设l为互耦参数矩阵c的自由度，将公式(3)中的t×l矩阵q[a(θ,r)]拆分成两个子矩阵之和的形式：

19、q[a(θ,r)]＝q[a(θ,r)]1+q[a(θ,r)]2  (4)

20、其中，子矩阵q[a(θ,r)]1和q[a(θ,r)]2满足以下条件，f和g分别表示矩阵的行数和列数：

21、

22、

23、根据本发明基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，优选地，由信号子空间与噪声子空间正交原理，得知：

24、

25、式中，un是噪声子空间，[·]h是矩阵的共轭转置；

26、将公式(3)、公式(4)代入公式(7)，互耦参数矩阵c表示为：

27、

28、根据本发明基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，优选地，根据信号子空间与噪声子空间正交原理将互耦参数估计问题转化为doa和互耦参数的联合优化问题，数学表达式如下：

29、

30、式中，分别表示doa估计值和互耦参数估计值，arg min f(x)表示当f(x)取最小值时，x的取值；通过对doa和互耦参数进行一维搜索，求解doa估计值和互耦参数估计值

31、

32、

33、式中，det表示求一个矩阵的行列式，arg max f(x)表示当f(x)取最大值时，x的取值，emin表示求矩阵最小特征值对应特征矢量的算子。

34、根据本发明基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，优选地，利用互耦参数估计值构成未知互耦矩阵的估计值对未知互耦矩阵ce进行补偿，阵列天线经过互耦补偿后，接收信号的表达式如下：

35、

36、本发明还提供了一种基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除装置，包括：

37、接收信号建模模块，用于根据未知互耦矩阵、近场阵列流型、远场阵列流型、近场信源、远场信源和噪声对阵列天线接收信号进行建模；

38、未知互耦矩阵构建模块，用于由单位矩阵i和互耦参数不为1的互耦参数矩阵c共同构建未知互耦矩阵ce；

39、导向矢量模块，用于当未知互耦存在时，构建导向矢量表达式，且将导向矢量转化为两个子矩阵之和的形式；

40、doa和互耦参数估计模块，用于根据导向矢量构建互耦参数矩阵c，随后根据信号子空间与噪声子空间正交原理将互耦参数估计问题转化为doa和互耦参数的联合优化问题，再通过对doa和互耦参数进行一维搜索，求解doa估计值和互耦参数估计值

41、未知互耦矩阵补偿模块，用于利用互耦参数估计值构成未知互耦矩阵的估计值对未知互耦矩阵ce进行补偿。

42、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

43、本发明基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法首先能够实现互耦参数的估计，再利用估计出的互耦参数构成未知互耦矩阵的估计值，从而补偿未知互耦矩阵，实现了对原阵列天线的互耦补偿，达到消除互耦干扰的目的，使得阵列天线更精确地进行波达方向(doa)的估计，同时能够实现更好的距离估计，提升了基于混合远近场信源的嵌套阵列天线在实际工程中的应用性能，同时降低硬件成本。