專利名稱：小型天線陣口徑擴(kuò)展與空間信號(hào)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種小型天線陣口徑擴(kuò)展與空問(wèn)信號(hào)處理方法。
背景技術(shù)：
根據(jù)經(jīng)典的天線理論，雷達(dá)的角分辨率與天線波束寬度有關(guān)，雷達(dá)天線波束寬度與天線電長(zhǎng)度近似成反比，即θ3dB∝λL]]>(弧度)其中，θ3dB為天線波束半功率寬度，λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng)，L為天線陣列長(zhǎng)度。當(dāng)天線單元之間的間距為雷達(dá)工作波長(zhǎng)的一半左右時(shí)，要獲得高的角分辨率，就需采用大型相控陣天線和大量的接收通道。但在雷達(dá)天線陣地受限的場(chǎng)合，例如，對(duì)于高頻地波或高頻天波超視距雷達(dá)，為了獲得高分辨的海洋表面流和海面目標(biāo)方位信息，一般采用(多重信號(hào)分類算法)MUSIC等高分辨算法，為了獲得高分辨的海面風(fēng)浪信息，一般采用DBF技術(shù)。例如，如果高頻雷達(dá)工作為頻率為5MHz，要想獲得1°的角分辨率，雷達(dá)天線陣長(zhǎng)將達(dá)3000米。而且，為了能有效地激起沿海面?zhèn)鞑サ谋砻娌ǎ走_(dá)天線陣應(yīng)盡可能地靠近海水設(shè)置，這一距離通常要求1～2個(gè)雷達(dá)波長(zhǎng)，這在實(shí)際海岸條件下，不僅難以找到能與大型天線陣相配套的天線場(chǎng)地，而且極大地增加了雷達(dá)建站費(fèi)用和日常的維護(hù)費(fèi)。同時(shí)由于雷達(dá)天線陣過(guò)大，其遠(yuǎn)場(chǎng)范圍達(dá)數(shù)千米，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的校準(zhǔn)也極為困難。所有這些都將限制了包括高頻表面波雷達(dá)在內(nèi)的許多雷達(dá)的推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有多通道大型相控陣?yán)走_(dá)的局限性，本發(fā)明的目的是提供一種小型天線陣口徑擴(kuò)展與空間信號(hào)處理方法，該方法利用陣列擴(kuò)展技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)只有大型相控陣?yán)走_(dá)才能實(shí)現(xiàn)的功能。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種小型天線陣口徑擴(kuò)展與空間信號(hào)處理方法，將天線陣列設(shè)置為任意陣列形式；將整個(gè)天線掃描區(qū)域劃分為若干區(qū)域，再將其中任一個(gè)子區(qū)域細(xì)分在細(xì)分的子區(qū)域內(nèi)構(gòu)建天線陣列的實(shí)際陣流形A＝[a(θ1)，a(θ1+Δθ)，a(θ2+2Δθ)，…，a(θr)]和擴(kuò)展陣列的陣流形A＝[a(θ1)，a(θ1+Δθ)，a(θ2+2Δθ)，…，a(θr)]，進(jìn)而得到陣列擴(kuò)展變換矩陣B＝AA-1，其中，θ1，θr分別為子區(qū)域的左右邊界，Δθ為子區(qū)域細(xì)分的步長(zhǎng)；利用已獲得的陣列擴(kuò)展變換矩陣重構(gòu)出擴(kuò)展陣列天線的信號(hào)Z＝BX，其中，X為原始天線陣接收的信號(hào)；將重構(gòu)的擴(kuò)展陣列天線的信號(hào)Z進(jìn)行數(shù)字波束形成或自適應(yīng)波束形成或利用空間高分辨算法求出信號(hào)的空間到達(dá)角。
按照本發(fā)明，當(dāng)實(shí)際陣流形A是非方陣時(shí)，將矩陣A進(jìn)行對(duì)角加載。
另外，本發(fā)明可利用‖A-BA‖的范數(shù)最小值，確定擴(kuò)展陣列的單元數(shù)。
本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于其出色的實(shí)用性能(1)通過(guò)上述方法大大擴(kuò)展了天線陣的口徑和天線陣元數(shù)；(2)利用軟件獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，重構(gòu)擴(kuò)展天線單元的信號(hào)，使之能夠靈活地運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，進(jìn)行數(shù)字波束形成、波束形狀的改變、空間超分辨測(cè)向和天線自適應(yīng)抗干擾；(3)由于天線口徑擴(kuò)展是建立在軟件的基礎(chǔ)上，可以大大減少天線單元數(shù)和接收通道，極大地降低了研發(fā)成本和建站費(fèi)用；(4)通過(guò)對(duì)小型任意天線陣實(shí)施擴(kuò)展變換，與原始陣相比，它不僅增加了可檢測(cè)的信源數(shù)，提高了天線陣的過(guò)載能力，而且可克服陣列可能出現(xiàn)的信號(hào)模糊問(wèn)題，提高了陣列的解相干能力。
本發(fā)明針對(duì)雷達(dá)天線布陣受限制的特殊場(chǎng)合，打破一般相控陣?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)的老程式，提出了一種通過(guò)對(duì)小型密集相控陣天線實(shí)施擴(kuò)展變換以增加天線陣孔徑的方法，為相控陣?yán)走_(dá)減少天線單元和接收通道，降低成本、簡(jiǎn)單易建提供了新途徑。本發(fā)明不僅適于均勻陣列，還適于任意非均勻陣列，擴(kuò)展后的天線口徑相當(dāng)于三倍以上的原天線口徑所達(dá)到的性能。將之應(yīng)用于高頻地波超視距雷達(dá)，通過(guò)擴(kuò)展后的天線陣列，不僅可以獲得高分辨的海洋表面流和海面目標(biāo)的方位信息，還可以形成相對(duì)窄的波束，獲得滿足海洋工程要求的風(fēng)浪信息。本發(fā)明為雷達(dá)天線陣小型化提供了理論和工程依據(jù)。
本發(fā)明應(yīng)用于工程實(shí)際，不僅研發(fā)和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用相對(duì)低廉，在軟件的靈活配合下，還具有目前傳統(tǒng)大型相控陣?yán)走_(dá)沒(méi)有的功能。本發(fā)明對(duì)在天線陣地和電磁兼容受限的場(chǎng)合使用相控陣，對(duì)航空、航天、空防、海防等國(guó)防建設(shè)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)，以及使相控陣?yán)走_(dá)小型化和降低成本，具有重要的理論價(jià)值和工程意義。
大量的理論分析和雷達(dá)試驗(yàn)表明，通過(guò)本發(fā)明提出的陣列擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了天線陣元數(shù)的有效擴(kuò)展，即通過(guò)陣列擴(kuò)展變換使擴(kuò)展陣列具有更多的陣元數(shù)，其優(yōu)勢(shì)是明顯的，它不僅增加了可檢測(cè)的信號(hào)源數(shù)即提高了陣列的過(guò)載能力，而且可克服陣列可能出現(xiàn)的信號(hào)模糊問(wèn)題，提高了陣列的解相干能力，大大減少實(shí)際天線的口徑和接收通道數(shù)，降低了雷達(dá)研制成本，滿足了本發(fā)明提出的利用陣列擴(kuò)展技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間超分辨的要求。


圖1、圖2和圖3分別為掃描角為40°時(shí)的原陣、擴(kuò)展陣和傳統(tǒng)大型陣的Doppler譜；圖4、圖5和圖6分別為掃描角為60°時(shí)的原陣、擴(kuò)展陣和傳統(tǒng)大型陣的Doppler譜；圖7、圖8和圖9分別為掃描角為80°時(shí)的原陣、擴(kuò)展陣和傳統(tǒng)大型陣的Doppler譜；圖10、圖11和圖12分別為掃描角為100°時(shí)的原陣、擴(kuò)展陣和傳統(tǒng)大型陣的Doppler譜；圖13、圖14和圖15分別為掃描角為120°時(shí)的原陣、擴(kuò)展陣和傳統(tǒng)大型陣的Doppler譜；圖16、圖17和圖18分別為掃描角為140°時(shí)的原陣、擴(kuò)展陣和傳統(tǒng)大型陣的Doppler譜；圖19、圖20和圖21分別為信噪比為25dB、掃描角為40°時(shí)的原陣、擴(kuò)展陣和傳統(tǒng)大型陣的Doppler譜；圖22、圖23和圖24分別為信噪比為25dB、掃描角為60°時(shí)的原陣、擴(kuò)展陣和傳統(tǒng)大型陣的Doppler譜；圖25、圖26和圖27分別為信噪比為25dB、掃描角為80°時(shí)的原陣、擴(kuò)展陣和傳統(tǒng)大型陣的Doppler譜；圖28、圖29和圖30分別為信噪比為25dB、掃描角為100°時(shí)的原陣、擴(kuò)展陣和傳統(tǒng)大型陣的Doppler譜；圖31、圖32和圖33分別為信噪比為25dB、掃描角為120°時(shí)的原陣、擴(kuò)展陣和傳統(tǒng)大型陣的Doppler譜；圖34、圖35和圖36分別為信噪比為25dB、掃描角為140°時(shí)的原陣、擴(kuò)展陣和傳統(tǒng)大型陣的Doppler譜；圖37為原陣波束指向60°的Doppler譜；圖38為陣列擴(kuò)展后波束指向60°的回波譜；圖39為原陣波束指向120°的Doppler譜；圖40為陣列擴(kuò)展后波束指向120°的回波譜；圖41為陣列擴(kuò)展前的MUSIC譜；圖42為陣列擴(kuò)展后的MUSIC譜。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作更加詳細(xì)的說(shuō)明。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用一種任意天線陣列口徑擴(kuò)展與空間超分辨方法，將天線陣列設(shè)置為任意陣列形式；將整個(gè)天線掃描區(qū)域劃分為若干區(qū)域，再將某個(gè)子區(qū)域細(xì)分；通過(guò)實(shí)際陣列流形A和擴(kuò)展陣流形A之間的關(guān)系，獲得陣列擴(kuò)展變換矩陣B＝AA-1；利用已獲得的陣列擴(kuò)展矩陣重構(gòu)出擴(kuò)展陣列天線的信號(hào)Z＝BX(其中，X為原始天線陣接收的信號(hào))；將重構(gòu)擴(kuò)展陣列接收的數(shù)據(jù)Z進(jìn)行波束形成，或利用空間高分辨算法求出信號(hào)的空間超分辨到達(dá)角。
1、原始陣列信號(hào)模型不失一般性，假設(shè)空間陣由m個(gè)陣元組成，有d個(gè)信號(hào)源，信號(hào)以平面波形式入射到陣列上。則第i個(gè)陣元接收的數(shù)據(jù)為xi=Σk=1de-jw0τiksk(t)+ni(t),i=1,2,···,m---(1)]]>則m個(gè)陣元在t時(shí)刻的輸出快拍數(shù)據(jù)構(gòu)成的矢量如下X(t)＝[x1(t)，x2(t)，...，xm(t)]T(2)A為陣列流形A＝[a(θ1)，a(θ2)，...，a(θd)] (3)其中θk第k個(gè)入射信號(hào)的方向角，a(θi)如下式表示a(θi)=[e-jw0τ1i,e-jw0τ2i,...,e-jw0τmi]T---(4)]]>
τki＝(xkcos(θi)+yksin(θi))/c為第i個(gè)信號(hào)在第k個(gè)陣元上的延遲，(xk，yk)為此陣元的位置坐標(biāo)，c為光速。
即陣列接收的數(shù)據(jù)矩陣X＝AS (5)2.擴(kuò)展陣列的設(shè)計(jì)2.1陣列擴(kuò)展變換方法對(duì)于不規(guī)則的密集陣或非均勻陣列，現(xiàn)通過(guò)數(shù)字變換的方法將原陣列數(shù)據(jù)變換為一個(gè)擴(kuò)展的均勻線陣的輸出。
設(shè)擴(kuò)展后的均勻線陣的信號(hào)方向矢量為a(θ)＝[1，exp(-jkd cosθ)，...，exp(-jk(N-1)dcosθ)] (6)其中d為擴(kuò)展后天線陣的陣元間距。設(shè)有一個(gè)N×N階非奇異矩陣T(Θ)滿足如下關(guān)系B(Θ)A(Θ)＝[a(θ1)，a(θ2)，...，a(θP)]＝A(Θ) (7)通過(guò)上式變換作用，矩陣B(Θ)就將原陣列的方向矩陣變換成了一個(gè)新均勻陣的方向矩陣，把像這樣獲得的新的均勻陣列我們稱之為擴(kuò)展陣列，而且一旦獲得B(Θ)矩陣，即可得到擴(kuò)展均勻線陣的輸出矢量z(t)＝B(Θ)x(t)(8)2.2陣列變換矩陣的獲得陣列擴(kuò)展的處理思想是將整個(gè)天線掃描區(qū)域劃分為若干個(gè)子區(qū)域，再將某個(gè)子區(qū)域細(xì)分。假設(shè)信號(hào)位于區(qū)域Θ內(nèi)，將區(qū)域Θ均分為Θ＝[θ1，θ1+Δθ，θ1+2Δθ，...，θr] (9)θ1，θr為Θ為左右邊界，Δθ為步長(zhǎng).則實(shí)際陣列的陣列流形矩陣為A＝[a(θ1)，a(θ1+Δθ)，a(θ2+2Δθ)，...，a(θr)] (10)而在同一區(qū)域Θ內(nèi)的擴(kuò)展均勻線陣的陣列流形矩陣A為A＝[a(θ1)，a(θ1+Δθ)，a(θ2+2Δθ)，…，a(θr)] (11)a(θi)如下式表示a‾(θi)=[e-jw0Δ1i,e-jw0Δ2i,...,e-jw0Δni]T---(12)]]>其中，n為擴(kuò)展陣列的陣元個(gè)數(shù)，Δki＝(xxkcos(θi)+yyksin(θi))/c為第i個(gè)信號(hào)在擴(kuò)展陣列的第k個(gè)陣元上的延遲，(xxk，yyk)為此擴(kuò)展陣元的位置坐標(biāo)，c為光速。
則擴(kuò)展的陣列與真實(shí)的陣列之間存在一個(gè)固定的變換關(guān)系B(T)，使得BA＝A_B＝AA-1(13)在上式中，涉及到對(duì)A的求逆。一般情況下，矩陣A不是方陣，不能直接求逆，因此我們采用對(duì)角加載技術(shù)，a為加載系數(shù)。
C＝A′*AA-1≈(C+a*eye(size(C，1)))-1*A′(14)假設(shè)某一矩陣Z滿足Z＝BX，Z＝BX＝AA-1X＝AA-1AS＝AS (15)則Z可看作為由擴(kuò)展陣列接收的數(shù)據(jù)。
2.3初始角和陣列擴(kuò)展單元的確定從以上分析可知，擴(kuò)展陣列的變換方法面臨的首要問(wèn)題就是初始角和天線單元數(shù)的確定，而信號(hào)源的方位角是待估計(jì)的參量，因此，在構(gòu)造變換矩陣之前需要對(duì)方位角進(jìn)行預(yù)估，而預(yù)估質(zhì)量的好壞直接影響變換矩陣的優(yōu)劣并最終影響估計(jì)結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用中，一種簡(jiǎn)單的方法是，在對(duì)每個(gè)距離元空間信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，可將整個(gè)天線掃描區(qū)按擴(kuò)展陣列波束寬度劃分為若干個(gè)雷達(dá)元，假設(shè)信號(hào)位于數(shù)字天線陣所在的數(shù)字波束區(qū)域內(nèi)，然后計(jì)算||A‾(Θ^)-B(Θ^)A(Θ^)||F]]>的范數(shù)，如果該值不是足夠小，可以調(diào)整擴(kuò)展天線的單元數(shù)、選擇合適的波瓣寬度和信號(hào)初始角，然后再重新計(jì)算擴(kuò)展變換矩陣 以使||A‾(Θ^)-B(Θ^)A(Θ^)||F]]>范數(shù)達(dá)到最小。
2.4天線單元間距的確定進(jìn)行陣列擴(kuò)展首先要知道信號(hào)的初始方向，而初始角度估計(jì) 總有誤差，因此，設(shè)計(jì)擴(kuò)展均勻線陣時(shí)，應(yīng)該盡量選擇對(duì)初始角度估計(jì)的誤差最不敏感、形成的變換誤差也最小的的陣列為擴(kuò)展陣列。實(shí)際應(yīng)用中，我們關(guān)心的是矩陣 與 的列空間是否一致。在列空間的意義上，矢量 與a(θ)之間的距離可用兩者之間的夾角 表示γ(θ;θ^)=arccos|a‾H(θ)B(θ^)a(θ)|||a‾(θ)||2·||B(θ^)a(θ)||2---(16)]]>‖·‖2和|·|分別表示譜范數(shù)和絕對(duì)值。最佳陣元間矩d，應(yīng)使 最小，即dopt=argmindγ(θ;θ^)---(17)]]>一般dopt對(duì)θ和 不很敏感，因此為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，θ可以選擇為波束形成器最大輸出方向。盡管如此，dopt的計(jì)算仍不方便。根據(jù)前面的討論，為減小變換誤差原陣列和擴(kuò)展均勻線陣的主波束之幅相特性應(yīng)盡量接近一致。故若原陣列的3dB主波束寬度為W，則均勻線陣陣元間距的一種簡(jiǎn)單的選擇是[7]
d=0.886λN·W---(18)]]>其中，λ為波長(zhǎng)。這樣可使原陣列和擴(kuò)展均勻線陣的3dB主波束寬度相等。計(jì)算機(jī)模擬表明，d一般接近于dopt。
2.5擴(kuò)展變換誤差分析為考察酉變換矩陣的誤差，在此以Θ^={θ^1,θ^2}]]>的一種簡(jiǎn)單情況為例。當(dāng)陣元為全向陣元時(shí)，不難證明||A‾(θ^1,θ^2)-B(θ^1,θ^2)A(θ^1,θ^2)||F]]> 其中， 研究(18)式可知，當(dāng)_a→_b或當(dāng)_a→0且_b→0時(shí)，(19)式左邊趨近于零。這即是說(shuō)，當(dāng) 和 在一個(gè)波束寬度內(nèi)時(shí)，要使變換矩陣誤差最小，原陣列和擴(kuò)展陣列的主波束之幅度特性和相位特性應(yīng)盡量接近；而當(dāng) 和 的間隔超過(guò)一個(gè)波束寬度時(shí)，兩陣列旁瓣越低，則變換矩陣誤差越小。當(dāng)選擇酉變換矩陣(15)式時(shí)，該結(jié)論不僅指出了陣列數(shù)據(jù)變換法對(duì)原陣列的要求，而且對(duì)擴(kuò)展均勻線陣的設(shè)計(jì)也指明了方向。
2.6擴(kuò)展變換對(duì)噪聲的影響假設(shè)實(shí)際陣的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣為R，噪聲協(xié)方差矩陣為RN，則擴(kuò)展陣列的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣為RT＝NRBH＝B(ARsAH+RN)TH＝BARsAHTH+BRNTH(21)當(dāng)環(huán)境噪聲為白噪聲時(shí)，則BRNBH＝σ2BBH(22)從上式可以看出，通過(guò)陣列擴(kuò)展變換后，原陣列接收的白噪聲變成了色噪聲。
3、擴(kuò)展陣的超分辨算法從以上分析可知，由于對(duì)陣列通過(guò)擴(kuò)展陣列變換后，原陣列接收的白噪聲變成了色噪聲，因此當(dāng)各陣元接收的噪聲相互獨(dú)立時(shí)，可由下述方法估計(jì)協(xié)方差矩陣
RT=1MΣi=1Mx(i:L-M+i-1)xH(i+1:L-M+i)---(23)]]>式中M為時(shí)域平滑次數(shù)，L為快拍數(shù)，其中x(ij)表示第i次快拍到第j次快拍數(shù)據(jù)。顯然，當(dāng)各陣元噪聲相互獨(dú)立時(shí)，估計(jì)出的協(xié)方差矩陣的噪聲項(xiàng)應(yīng)為0。對(duì)RT進(jìn)行特征分解，然后利用MUSIC空間譜估計(jì)器，即可得到信號(hào)DOA的超分辨估計(jì)。
4、算法性能仿真模擬試驗(yàn)1均勻線陣口徑擴(kuò)展設(shè)有N＝8的全向陣元均勻分布在長(zhǎng)度為λ的直線上。現(xiàn)有6個(gè)信號(hào)背離雷達(dá)方向運(yùn)動(dòng)，其徑向速度和運(yùn)動(dòng)方向分別為{4、8、12、16、20、24}m/s和{40°、60°、80°、100°、120°、140°}。數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)256。如圖1、4、7、10、13和16分別表示陣列擴(kuò)展前(原陣)波束指向40°、60°、80°、100°、120°和140°的回波Doppler譜?，F(xiàn)將原陣擴(kuò)展成天線間距為d＝0.5λ的陣列。如圖2、5、8、11、14和17分別表示陣列擴(kuò)展后陣波束指向40°、60°、80°、100°、120°和140°的回波Doppler譜。如圖3、6、9、12、15和18表示陣元間距為半波長(zhǎng)的8元均勻直線陣。從此結(jié)果可以清楚看出，陣列擴(kuò)展前，原陣無(wú)法分辨一個(gè)波束內(nèi)存在的幾個(gè)信號(hào)方向，但利用本文提出的方案對(duì)陣列進(jìn)行擴(kuò)展后，能非常清楚地分辨出各信號(hào)的方向和Doppler，而且擴(kuò)展后的陣列與相等口徑的實(shí)際陣的分辨效果幾乎一樣。進(jìn)一步分析其原因可知，陣列擴(kuò)展前，原陣的波束寬度約60°，而陣列擴(kuò)展后陣列的波束寬度降為約15°，即該密集陣分辨率相當(dāng)于原陣三倍的孔徑。
模擬試驗(yàn)2信噪比對(duì)均勻線陣口徑擴(kuò)展的影響設(shè)有N＝8全向陣元均勻分布在長(zhǎng)度為λ的直線上，入射波信號(hào)同模擬試驗(yàn)1，不同的是，各信號(hào)信噪比均為25dB。如圖19、22、25、28、31和34分別表示陣列擴(kuò)展前(原陣)波束指向40°、60°、80°、100°、120°和140°的回波Doppler譜?，F(xiàn)將原陣擴(kuò)展成天線間距為d＝0.5λ的陣列。如圖20、23、26、29、32和35分別表示陣列擴(kuò)展后陣波束指向40°、60°、80°、100°、120°和140°的回波Doppler譜。如圖21、24、27、30、33和36表示陣元間距為半波長(zhǎng)的大型均勻直線陣。與模擬試驗(yàn)1所得的結(jié)論一樣，陣列擴(kuò)展前，原陣無(wú)法分辨一個(gè)波束內(nèi)存在的幾個(gè)信號(hào)方向，但利用本文提出方案對(duì)陣列進(jìn)行擴(kuò)展后，能非常清楚地分辨出各信號(hào)的方向和Doppler，進(jìn)一步分析可知，隨著信噪比的提高或原陣單元天線間距的增大，其分辨效果還會(huì)大大改善。
模擬試驗(yàn)3大間距均勻線陣口徑擴(kuò)展設(shè)有N＝8全向陣元均勻分布在長(zhǎng)度為10λ的直線上(顯然天線間距遠(yuǎn)大于半波長(zhǎng)，原陣方向圖將會(huì)出現(xiàn)柵瓣)。信噪比25dB。入射波信號(hào)同模擬試驗(yàn)1。典型模擬結(jié)果為如圖37表示陣列擴(kuò)展前波束指向60°的回波Doppler譜?，F(xiàn)將原陣擴(kuò)展成天線間距為d＝0.5λ的陣列。如圖38表示陣列擴(kuò)展后波束指向60°的回波譜。從此結(jié)果可以明顯看出，陣列擴(kuò)展前，在一個(gè)波束內(nèi)出現(xiàn)了多個(gè)到達(dá)角，這顯然是由于原天線陣間距過(guò)大，天線方向圖出現(xiàn)柵瓣而產(chǎn)生的測(cè)向模糊。但利用本文提出方案對(duì)陣列進(jìn)行擴(kuò)展后，天線間距大大減少，消除了天線方向圖出現(xiàn)的柵瓣，因此能非常清楚地分辨出波束內(nèi)信號(hào)的方向和Doppler。
模擬試驗(yàn)4擴(kuò)展陣元數(shù)多余實(shí)際陣元數(shù)設(shè)有N＝8全向陣元均勻分布在長(zhǎng)度為λ的直線上，入射波信號(hào)同模擬試驗(yàn)1，不同的是，各信號(hào)信噪比均為20dB。典型模擬結(jié)果為如圖39表示陣列擴(kuò)展前波束指向120°的回波Doppler譜?，F(xiàn)將原陣擴(kuò)展成天線間距為d＝0.5λ的12元陣線陣。如圖40表示陣列擴(kuò)展后波束指向120°的回波譜。大量的隨機(jī)模式實(shí)驗(yàn)表明，陣列擴(kuò)展前，原陣無(wú)法分辨一個(gè)波束內(nèi)存在的幾個(gè)信號(hào)方向，但利用本文提出方案對(duì)陣列進(jìn)行擴(kuò)展后，能非常清楚地分辨出各信號(hào)的方向和Doppler。進(jìn)一步分析還可知，此時(shí)天線陣的波束寬度比8均勻線陣的波束更窄，但結(jié)果更受信噪比的影響，信噪比越高，效果越好。
模擬試驗(yàn)5非均勻陣口徑擴(kuò)展設(shè)有N＝8全向陣元隨機(jī)分布在長(zhǎng)度為λ的直線上(或均勻分布在半徑為r＝0.5λ的半圓上)。入射波信號(hào)同模擬試驗(yàn)1?，F(xiàn)將原陣擴(kuò)展成天線間距為d＝0.5λ的陣列。大量隨機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)表明，陣列擴(kuò)展前，原陣無(wú)法分辨一個(gè)波束內(nèi)存在的幾個(gè)信號(hào)方向，但利用本發(fā)明技術(shù)方案對(duì)陣列進(jìn)行擴(kuò)展后，能非常清楚地分辨出各信號(hào)的方向和Doppler。
模擬試驗(yàn)6擴(kuò)展陣的高分辨算法設(shè)有N＝8全向陣元均勻分布在長(zhǎng)度為5λ的直線上。入射波信號(hào)同模擬試驗(yàn)1，信噪比為25dB?，F(xiàn)將原陣擴(kuò)展成天線間距為d＝0.5λ的陣列。圖41表示陣列擴(kuò)展前利用MUSIC算法獲得的超分辨空間譜。圖42表示陣列擴(kuò)展后利用MUSIC算法獲得的超分辨空間譜。由此結(jié)果可知，天線陣擴(kuò)展前，天線陣出現(xiàn)測(cè)向模糊，但利用本文提出的方法對(duì)原陣進(jìn)行擴(kuò)展，天線的分辨率不僅高，而且還消除了測(cè)向模糊。
5、討論本發(fā)明出的基于小型天線陣的口徑擴(kuò)展方法，具有如下特點(diǎn)(a)變換過(guò)程不必知道信號(hào)的準(zhǔn)確方向，只需假設(shè)信號(hào)的初始入射角，即可得到原陣列與擴(kuò)展陣列的陣列流形矩陣，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)陣列的變換陣。在實(shí)際應(yīng)用中，可預(yù)先存貯變換陣T，并實(shí)現(xiàn)陣列的擴(kuò)展。
(b)一般陣列天線間距要求小于半波長(zhǎng)，如果超過(guò)半波長(zhǎng)，就會(huì)出現(xiàn)測(cè)向模糊，而通過(guò)陣列擴(kuò)展變換，可將非等間距天線陣變成陣元間距小于半波長(zhǎng)的天線陣，這樣可以解決了陣列的信號(hào)模糊。
(c)增加了陣列的靈活性，由于擴(kuò)展陣列增加了陣元數(shù)(自由度)，這樣在進(jìn)行DOA估計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際環(huán)境靈活選擇擴(kuò)展陣列的數(shù)字陣元數(shù)，如信號(hào)數(shù)比較少時(shí)，可選擇孔徑小的擴(kuò)展陣列，對(duì)于精度要求高的場(chǎng)合可適當(dāng)增加陣元數(shù)來(lái)增加天線陣口徑。
(d)由于擴(kuò)展的陣列比實(shí)際陣列可以具有更多的陣元數(shù)，因此，經(jīng)過(guò)擴(kuò)展后的陣列可以估計(jì)更多的信號(hào)源數(shù)。
(e)擴(kuò)展陣列單元數(shù)不可能無(wú)窮大，陣元數(shù)的選擇只能在一定范圍內(nèi)有效。這是因?yàn)閺哪芰可现v，天線接收的能量和信息量是守恒的，任何數(shù)學(xué)意義上的變換只能對(duì)傳統(tǒng)算法進(jìn)行一定程度的改善，不會(huì)增加能量和有用信息量；從數(shù)學(xué)上講，陣元數(shù)增加，擴(kuò)展變換矩陣的條件數(shù)變大，重構(gòu)擴(kuò)展陣列天線單元幅相的誤差變大，最后會(huì)給結(jié)果帶來(lái)更大的誤差。而且隨著擴(kuò)展陣元數(shù)的增加，為了獲得工程可用的結(jié)果，其對(duì)信噪比的要求會(huì)大大增加。在實(shí)際應(yīng)用中，擴(kuò)展陣元的個(gè)數(shù)，應(yīng)在信噪比、實(shí)際信號(hào)個(gè)數(shù)、擴(kuò)展變換矩陣的條件數(shù)等因素之間進(jìn)行折中。
(f)由于小型陣天線列孔徑較小，這有利于減少天線陣的校準(zhǔn)距離。
(g)將發(fā)明與現(xiàn)代高分辨算法相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)陣列空間超分辨測(cè)向。
權(quán)利要求
1.一種小型天線陣口徑擴(kuò)展與空間信號(hào)處理方法，其特征在于將天線陣列設(shè)置為任意陣列形式；將整個(gè)天線掃描區(qū)域劃分為若干區(qū)域，再將其中任一個(gè)子區(qū)域細(xì)分；在細(xì)分的子區(qū)域內(nèi)構(gòu)建天線陣列的實(shí)際陣流形A＝[a(θ1)，a(θ1+Δθ)，a(θ2+2Δθ)，...，a(θr)]和擴(kuò)展陣列的陣流形A＝[a(θ1)，a(θ1+Δθ)，a(θ2+2Δθ)，...，a(θr)]，進(jìn)而得到陣列擴(kuò)展變換矩陣B＝AA-1，其中，θ1，θr分別為子區(qū)域的左右邊界，Δθ為子區(qū)域細(xì)分的步長(zhǎng)；利用已獲得的陣列擴(kuò)展變換矩陣重構(gòu)出擴(kuò)展陣列天線的信號(hào)Z＝BX，其中，X為原始天線陣接收的信號(hào)；將重構(gòu)的擴(kuò)展陣列天線的信號(hào)Z進(jìn)行數(shù)字波束形成或自適應(yīng)波束形成或利用空間高分辨算法求出信號(hào)的空間到達(dá)角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于當(dāng)實(shí)際陣流形A是非方陣時(shí)，將矩陣A進(jìn)行對(duì)角加載。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于利用‖A-BA‖的范數(shù)最小值，確定擴(kuò)展陣列的單元數(shù)。
全文摘要
一種小型天線陣口徑擴(kuò)展與空間信號(hào)處理方法，將天線陣列設(shè)置為任意陣列形式；將整個(gè)天線掃描區(qū)域劃分為若干區(qū)域，再將其中任一個(gè)子區(qū)域細(xì)分；在細(xì)分的子區(qū)域內(nèi)構(gòu)建天線陣列的實(shí)際陣流形和擴(kuò)展陣列的陣流形，進(jìn)而得到陣列擴(kuò)展變換矩陣；利用已獲得的陣列擴(kuò)展變換矩陣重構(gòu)出擴(kuò)展陣列天線的信號(hào)；將重構(gòu)的擴(kuò)展陣列天線的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字波束形成或自適應(yīng)波束形成或利用空間高分辨算法求出信號(hào)的空間到達(dá)角。本發(fā)明通過(guò)對(duì)小型任意天線陣實(shí)施擴(kuò)展變換來(lái)增加天線陣口徑，使擴(kuò)展陣列具有更多的陣元數(shù)，與原始陣相比，它不僅增加了可檢測(cè)的信源數(shù)，提高了天線陣的過(guò)載能力，而且可克服陣列可能出現(xiàn)的信號(hào)模糊問(wèn)題，提高了陣列的解相干能力。
文檔編號(hào)H01Q21/00GK1773307SQ20051001963
公開(kāi)日2006年5月17日 申請(qǐng)日期2005年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月20日
發(fā)明者高火濤, 張小林, 陳麗 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)