用于波达方向估计的运动平台拓展空间分形阵列设计方法

1.本发明属于波达方向估计技术领域，更进一步涉及中的一种阵元间距拓展空间分形阵列设计方法，可用于稀疏阵列doa估计，实现对多路信号波达方向的估计。


背景技术：

2.稀疏阵列具备测量比物理传感器数量更多的信源到达方向的能力，其优点是可以用n个传感器估计o(n2)个不相关源，因此近年来在雷达、无线电和通信等领域发挥着重要作用。该特点依赖于于它的差分阵列，差分阵列的定义为两个物理传感器之间的差值。为了提高阵列的自由度，差分阵列应尽可能大。由此，人们提出了不同的稀疏阵列设计方法，包括最小冗余阵列(mras)、最小孔阵列(mhas)、互质阵列和嵌套阵列等。但是，这些阵列要么差分阵列存在孔，要么物理阵元的互耦性比较高。
3.在提升自由度方面，p.pal and p.p.vaidyanathan在“sparse sensing with co-prime samplers and arrays,”提出了一种具有增强自由度的阵列处理新方法，通过系统地嵌套两个或多个均匀的线性阵列而获得新阵列，但对于参数选取要求比较高。ramirez jr j和krolik j l在“synthetic aperture processing for passive co-prime linear sensor arrays”利用被动合成孔径技术进互质阵列合成，在阵列移动半波长，合成阵列的差分阵列为满阵。对于较大孔径而言，合成距离要求较大，对信号相干性的要求也进一步增加，难以适用运动平台要求。在最近的一项研究中，j.ramirez and j.l.krolik在“synthetic aperture rocessing for passive co-prime linear sensor arrays,”提出利用移动互质阵列在扩展的合成孔径上提供无孔差分阵列。在该方法中，被动孔径合成旨在以缺失的半波长间隔创建虚拟阵元，达到合成阵列为无孔差分阵列。这样就可以应用基于协方差矩阵的阵列处理方法，合成阵列被设计成近似均匀线阵，同时保留了稀疏线阵结构。结果表明，对于具有m和n个物理阵元的两个子阵列的互质阵列，需要移动多达n/2(n》m)个半波长单元才能获得无孔的差分阵列，需要一个长期平稳的信号环境，尤其是在考虑大阵列孔径时，所需要相对较长时间段内的固定环境，且阵列的耦合性较高。因此本文提出了一种新的运动平台上的拓展空间分形阵列结构，以提供一种仅具有半波长阵列运动的无孔差分阵列。与原始差分阵列相比，将分形阵列和阵列运动相结合得到的运动平台上的拓展空间分形阵列具有大的无孔差分阵列，从而可获得更加优越的doa估计性能。此外，本发明设计的阵列由于物理阵元间阵元间距的增大，阵列的耦合性将降低。与分形阵列相比，该阵列的阵列孔径更大而且不需要较高的递归次数，设计更为方便。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出了一种用于波达方向估计的运动平台拓展空间分形阵列设计方法，旨在提高阵列的自由度和阵列的孔径，并降低物理阵元间的耦合度。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
6.(1)构建生成器阵列：
7.设第一个均匀稀疏阵列有n1个阵元，阵元间距为d1；第二个均匀稀疏阵列有n2个阵元，阵元间距d2＝(n1+1)d1；
8.将所述两个均匀稀疏阵列进行二阶嵌套，得到二阶嵌套阵的阵元数l＝n1+n2和嵌套阵列的阵元位置集合g：
9.将嵌套阵列阵元位置集合g的阵元间距扩大三倍，得到生成器阵列：gf＝3*g；
10.(2)对生成器阵列gf进行分形：
11.设基准阵列为f'0＝{0}；
12.对gf进行第一次分形，得到一次分形阵列其中表示第0次分形阵列的分形因子，n'∈gf，
13.在上一次分形得到的阵列基础上进行下一次分形，得到第r次分形后的拓展空间分形阵列：
[0014][0015]
其中，f'r表示第r次分形后的拓展空间分形阵列，f'
r-1
表示第r-1次分形后的拓展空间分形阵列，表示第r-1次分形阵列的分形因子，r＝2,3,
…
,n，n表示分形次数；
[0016]
(3)通过运动平台构建运动合成阵列：
[0017]
将拓展空间分形阵列f'r搭载在运动平台上，设移动距离为半波长，在f'r运动到半个波长后，获得运动后的拓展空间分形阵列f'
rc
；
[0018]
将运动半个波长后的拓展空间分形阵列f'
rc
与拓展空间分形阵列fr'与进行合成，得到运动合成后的阵列ff为：
[0019]ff
＝f'r∪f'
rc
＝{f1,f2,
…fk
,
…
,f
l
}
[0020]
其中，k＝1,2,
…
l，fk是合成后阵列ff的第k个阵列集合；
[0021]
(4)利用运动合成后的阵列ff通过空间谱估计算法对雷达辐射源信号进行波达方向估计。
[0022]
本发明与现有技术相比较，具有以下优点：
[0023]
第一，由于本发明通过将分形阵列和阵列运动相结合得到了一种运动平台上的拓展空间分形阵列，由于该拓展空间分形阵列对应的差分阵列是无孔的，所以可以获得更加优越的doa估计性能。而且与未进行扩展的分形阵列相比，其阵列孔径更大，且不需要较高的递归次数，设计更为方便。
[0024]
第二，本发明由于将嵌套阵列扩大了三倍，因此增大了物理阵元的间距，降低了阵列的耦合性，提升了波达方向的估计性能。
附图说明
[0025]
图1为本发明的实现流程图；
[0026]
图2为本发明实施例中的拓展空间分形阵列示意图；
[0027]
图3为本发明实施例中拓展空间分形阵列所对应的差分阵列示意图；
[0028]
图4为本发明实施例中拓展空间分形阵列移动半波长后合成的拓展空间分形阵列
示意图；
[0029]
图5为本发明实施例中拓展空间分形阵列移动半波长后合成拓展空间分形阵列对应的差分阵列的示意图。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图对本发明实施例做进一步的描述。
[0031]
参照图1，对本实施例的实现步骤如下：
[0032]
步骤1，构建生成器阵列。
[0033]
1.1)确定二阶嵌套阵列参数n1和n2，建立二阶嵌套阵列：
[0034]
嵌套阵列是由多个阵元间距互不相同子阵列构成，通常分为二阶嵌套阵列和多阶嵌套阵列，其中多阶嵌套阵列都是在二阶嵌套阵列的基础上扩展形成的。
[0035]
本实例是以二阶嵌套阵列为主，其实现如下：
[0036]
设第一个均匀稀疏阵列有n1个阵元，阵元间距为d1，n1＞1，d1＝λ/2，λ为信号波长；
[0037]
设第二个均匀稀疏阵列有n2个阵元，阵元间距为d2，d2＝(n1+1)d1，n2＞1；
[0038]
将这两个均匀稀疏阵列进行级联，得到阵元数为l，阵元位置集合为g的二阶嵌套阵列：
[0039]
l＝n1+n2，
[0040]
g＝{md1}∪{(n(n1+1)-1)d1}，m＝0,1,
…
,n
1-1，n＝1,2,
…
,n2；
[0041]
1.2)将二阶嵌套阵列阵元间距扩展至原来的三倍，获得生成器阵列：
[0042]
gf＝3*g，
[0043]
gf的阵元位置集合为：gf＝{3md1}∪{3(n(n1+1)-1)d1}。
[0044]
步骤2，对生成器阵列gf进行分形，得到拓展空间分形嵌套阵列。
[0045]
本实例使用分形因子mf对生成器阵列gf进行分形，
[0046]
设基准阵列f'0＝{0}，使用分形因子mf对生成器阵列gf进行第一次分形得到第一次分形后拓展空间分形阵列其中表示第0次分形阵列的分形因子，n'∈gf；
[0047]
对第一次分形的结果f1'进行下一次分形，得到第二次分形后拓展空间分形阵列：其中表示第1次分形阵列的分形因子。
[0048]
以后每一次的分形拓展分形阵列都是在上一次分形结果基础上进行分形，依次进行递归分形操作，得到第r次分形后的拓展空间分形阵列：
[0049][0050]
其中，f'
r-1
表示第r-1次分形后的拓展空间分形阵列，表示第r-1次分形阵列的分形因子，r＝2,3,
…
,n，n表示分形次数。
[0051]
步骤3，对拓展空间分形阵列通过运动平台，构建运动合成阵列。
[0052]
3.1)将拓展空间分形阵列f'r搭载在运动平台上，利用运动平台的运动特性，将时间增益转化为空间增益，将拓展空间分形阵列f'r的移动距离设置为半波长，在f'r运动半个波长后，获得运动后的拓展空间分形阵列f'
rc
；
[0053]
3.2)将拓展空间分形阵列f'r和运动半个波长后的拓展空间分形阵列f'
rc
进行合成，得到运动合成阵列ff：
[0054]ff
＝f'r∪f'
rc
＝{f1,f2,
…fk
,
…
,f
l
}
[0055]
其中，fk＝gf∪g'f+《gf》kmf，k＝1,2,
…
,l
[0056]
g'f＝{3md1+1}∪{3(n(n1+1)-1)d1+1}，《gf》k是生成器gf的第k个值。
[0057]
步骤4，利用运动合成后的阵列ff，通过空间谱估计算法对雷达辐射源信号进行波达方向估计。
[0058]
将运动合成后的阵列ff部署在海面舰船运动平台组成传感器阵列，利用该传感器阵列对雷达辐射源信号进行接收；
[0059]
通过空间谱估计算法对接收到的信号进行处理，进一步提取有用信号包含的信息，抑制干扰和噪声，利用信号提取得到的特征参数估计出信号的来波方向。
[0060]
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步说明：
[0061]
一.仿真条件
[0062]
设嵌套阵列为g＝[0 1 2 5]，即阵元位置集合为[0 d
1 2d
1 5d1],将阵元间距扩展至原来的三倍得到生成器，生成器是一个拓展的嵌套阵列gf＝[0 3 6 15]，即阵元位置集合为[0 3d
1 6d
1 15d1]，根据将分形因子设为mf＝11，得到扩展空间分形阵列。黑色圆表示物理阵元，红色叉表示阵列中的孔，移动的阵列用菱形表示。
[0063]
二.仿真内容与结果分析：
[0064]
仿真1，使用分形因子mf对生成器gf进行递归分形两次，得到第2次扩展空间分形阵列，如图2所示。第二次分形后扩展空间分形阵列对应的差分阵列如图3所示。从图2中可以看出，扩展空间分形阵列具有较大的阵元间距。从图3中可以看出，其对应的差分阵列存在孔，中心的孔较小。此外，对差分阵列而言，只存在两个连续的孔。
[0065]
仿真2，将实验1设计的扩展空间分形阵列搭载到运动平台上移动半个波长后，对扩展空间分形阵列和扩展空间分形阵列移动半个波长后的阵列进行合成，得到合成阵列，如图4所示，该合成阵列对应的差分阵列如图5所示。从图4中可以看出，合成阵列具有孔。从图5中可以看出，将扩展空间分形阵列运动半个波长，合成阵列对应的差分阵列是无孔的，由此可知本发明扩展后的空间分形阵列能有效的提升阵列自由度。
[0066]
以上仿真实验表明：本发明设计的运动平台上的拓展空间分形阵列可以获得较高的自由度，为无孔差分阵列和低互耦大孔径阵列提供了理论依据，且依照本发明基于运动平台扩展的空间分形阵列具有更少的递归次数和更大的阵列孔径的优点。