【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及线性阵列布局领域，具体涉及用于doa估计的对称双增补天线阵列结构及其布阵方法。
技术介绍
1、随着信号处理技术的发展，波达方向(direction of arrival，doa)估计在军用雷达、麦克风系统、无人机和自动驾驶领域需求日益旺盛，成为了一个重要的技术手段。过去几十年，人们在均匀线性阵列上应用music、esprit和压缩感知等算法解决了基于平面波前的远场源定位问题。然而，在实际的应用场景中，对于未知信号源的探测需要对其进行远近场源混合估计，这样的复杂性使得传统的doa估计方法面临挑战。现有的线性阵列存在均匀阵列和非均匀阵列、对称阵列和非对称阵列两种分类方式，将两种特点组合又形成了对称均匀阵列、非对称均匀阵列、对称非均匀阵列和非对称非均匀阵列四种阵列。
2、针对现有的阵列类型，混合场源doa估计存在如下问题：一是均匀阵列的自由度和孔径较低，测向精度不高；传统均匀阵列n个阵元最多测量n-1个目标，这意味着自由度的提升需要增加天线的阵元数，这不仅增大了天线设计的硬件成本，不利于对于天线工程化，而且天线阵元之间的互耦较为严重，影响了方位估计的性能。二是传统的非对称阵列不适用于混合场源doa估计；非对称阵列需要将天线阵元所接收信号利用远近场源接收矩阵的不同特性进行参数分离，极大地增加了处理器的处理时间和算力，非对称阵列大多用于远场方位估计；三是现有的对称阵列可以对近远场源方位和近场源距离进行估计，但自由度和估计性能仍有进一步提升的空间。
技术实现思路
1、
2、为实现上述目的，本专利技术提供了用于doa估计的对称双增补天线阵列结构，包括五个子阵列，分别为：ula1、ula2、ula3、supplement1和supplement2；
3、所述ula1是阵元数量为n，阵元间隔d的均匀线性阵列；
4、所述ula2和所述ula3为阵元数量为m-1，阵元间隔为(n+1)d的线性阵列；
5、所述supplement1作为一个独立的增补阵元点，用于填补所述ula1与所述ula2在差分虚拟阵列生成过程中所生成的空洞，所述supplement1与所述ula2和所述ula3间距均为nd；
6、所述supplement2作为另一个独立的增补阵元点，与所述supplement1距离为(n+1)d，用于扩充所述对称双增补天线阵列结构的物理孔径。
7、优选的，利用集合来表示所述对称双增补天线阵列结构：
8、
9、其中，为子阵ula1；和分别为子阵ula2和ula3；和分别为子阵supplement1的左半部分和右半部分；集合和分别为子阵supplement2的左半部分和右半部分；所述对称双增补天线阵列结构的结构为：
10、
11、
12、
13、
14、
15、
16、
17、其中，m1∈[0，n-1]，m2、m3∈[0，m-2]，且为均位集合内的元素，m、n均为根据差分阵列最长连续阵元函数分配的子阵最佳阵列配置。
18、本专利技术还提供了用于doa估计的对称双增补天线阵列结构的布阵方法，所述方法用于布置上述对称双增补天线阵列结构，步骤包括：
19、基于doa估计场景的信源数量，确定天线的阵元数；
20、基于探测的信号频率，确定天线阵元之间的布阵参数；
21、基于差分阵列最长连续阵元函数与所述布阵参数，得到最佳阵列配置；
22、基于所述最佳阵列配置，构建ula传输子阵，得到虚拟阵列传输框架；
23、完善所述虚拟阵列传输框架，得到所述对称双增补天线阵列结构。
24、优选的，所述天线的阵元数满足：
25、q＝n+2(m-1)+4＝n+2+2m
26、其中q表示天线的阵元数。
27、优选的，所述布阵参数包括：最大间隔、近场菲涅尔区和远场弗朗霍区的范围。
28、优选的，确定所述布阵参数的方法包括：给定探测信号的信号频率f，依据奈奎斯特采样定律空域表现，相邻阵元间距不能大于探测信号的半波长；则有天线阵元之间最大间隔d为：
29、
30、其中，c为光速；
31、远近场范围为：
32、
33、其中，r为信源到天线阵列中心的距离，d为天线阵列孔径，λ为信号波长。
34、优选的，所述差分阵列最长连续阵元函数为：
35、dof(m)＝2mn+2m+4n+1
36、＝2m(q-2m-2)+2m+4(q-2m-2)+1
37、＝-4m2+2(q-5)m+4q-7。
38、优选的，ula传输子阵利用自身的差分相关阵列来提供虚拟阵列传输框架，ula传输子阵外的其余子阵均被复制和传输；ula传输子阵表达式为：
39、ula传输子阵＝ula1∪ula2∪ula3。
40、优选的，完善所述虚拟阵列传输框架的方法包括：通过分析所述虚拟阵列传输框架的非负部分，安排增补阵元填充所述虚拟阵列传输框架中的空洞，以达到最长的阵元连续排布；增补阵元的位置为传输子阵的ula2、ula3部分分别向正、负方向扩展nd，增补阵元所带来的有效差分阵为：
41、sα2＝(n+1)m′3+n
42、其中，m′3∈[0，m-2]，sα2表示该增补点α与ula2做差分。
43、与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：
44、(1)相较于非对称阵列该阵列可以进行更多维度的方位估计；该阵列可进行远近混合场源的方位估计和近场源的距离估计，应用场景更加广泛。
45、(2)相较于现有的非均匀对称阵该阵列可带来更高的自由度；该阵列可写出闭合表达式，在阵元数目一定的条件下，该阵列结构可以带来更高的自由度和更大的孔径，从而可实现更低成本、更多估计目标、更高精度的doa估计。
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1.用于DOA估计的对称双增补天线阵列结构，其特征在于，包括五个子阵列，分别为：ULA1、ULA2、ULA3、Supplement1和Supplement2；
2.根据权利要求1所述的用于DOA估计的对称双增补天线阵列结构，其特征在于，利用集合来表示所述对称双增补天线阵列结构：
3.用于DOA估计的对称双增补天线阵列结构的布阵方法，所述方法用于布置权利要求1-2任一项所述的用于DOA估计的对称双增补天线阵列结构，其特征在于，步骤包括：
4.根据权利要求3所述的用于DOA估计的对称双增补天线阵列结构的布阵方法，其特征在于，所述天线的阵元数满足：
5.根据权利要求3所述的用于DOA估计的对称双增补天线阵列结构的布阵方法，其特征在于，所述布阵参数包括：最大间隔、近场菲涅尔区和远场弗朗霍区的范围。
6.根据权利要求3所述的用于DOA估计的对称双增补天线阵列结构的布阵方法，其特征在于，确定所述布阵参数的方法包括：给定探测信号的信号频率f，依据奈奎斯特采样定律空域表现，相邻阵元间距不能大于探测信号的半波长；则有天线阵元之间最大间隔d
7.根据权利要求3所述的用于DOA估计的对称双增补天线阵列结构的布阵方法，其特征在于，所述差分阵列最长连续阵元函数为：
8.根据权利要求3所述的用于DOA估计的对称双增补天线阵列结构的布阵方法，其特征在于，ULA传输子阵利用自身的差分相关阵列来提供虚拟阵列传输框架，ULA传输子阵外的其余子阵均被复制和传输；ULA传输子阵表达式为：
9.根据权利要求8所述的用于DOA估计的对称双增补天线阵列结构的布阵方法，其特征在于，完善所述虚拟阵列传输框架的方法包括：通过分析所述虚拟阵列传输框架的非负部分，安排增补阵元填充所述虚拟阵列传输框架中的空洞，以达到最长的阵元连续排布；增补阵元的位置为传输子阵的ULA2、ULA3部分分别向正、负方向扩展Nd，增补阵元所带来的有效差分阵为：
...【技术特征摘要】
1.用于doa估计的对称双增补天线阵列结构，其特征在于，包括五个子阵列，分别为：ula1、ula2、ula3、supplement1和supplement2；
2.根据权利要求1所述的用于doa估计的对称双增补天线阵列结构，其特征在于，利用集合来表示所述对称双增补天线阵列结构：
3.用于doa估计的对称双增补天线阵列结构的布阵方法，所述方法用于布置权利要求1-2任一项所述的用于doa估计的对称双增补天线阵列结构，其特征在于，步骤包括：
4.根据权利要求3所述的用于doa估计的对称双增补天线阵列结构的布阵方法，其特征在于，所述天线的阵元数满足：
5.根据权利要求3所述的用于doa估计的对称双增补天线阵列结构的布阵方法，其特征在于，所述布阵参数包括：最大间隔、近场菲涅尔区和远场弗朗霍区的范围。
6.根据权利要求3所述的用于doa估计的对称双增补天线阵列结构的布阵方法，其特征在于，确定所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：綦俊炜，吴一尘，王营臻，张宸玮，邢政，刘蒲江，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：
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