[发明专利]一种新型虚拟阵列结构及其DOA估计方法

说明书

本发明公开了一种新型虚拟阵列结构及其DOA估计方法，将互素线性阵列沿着与自身所在直线呈一定角度的方向作匀速直线运动，其两个子阵被控制在不同的固定时延处进行信号采样，然后分别针对两个子阵进行综合信号处理，即可获得两个虚拟平行四边形子面阵，两子面阵联合在一起形成一个一般化的虚拟互素平行四边形阵列，将互素线性阵列的阵列孔径扩展至二维，实现二维DOA估计。本发明充分利用各时延处的接收信号，创造虚拟阵元，实现运动场景下一维互素线性阵列的二维DOA估计，提高方法的自由度和估计精度以及可实用性。同时，本发明提出了一种适配于虚拟平行四边形阵列的解耦合的降复杂度的MUSIC(DRC MUSIC)算法，在保证精度的同时极大地降低算法计算复杂度。

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种新型虚拟阵列结构及其 DOA估计方法。

背景技术

现有技术中，考虑一个互素线性阵列，其沿着自身所在直线方向作匀速直线运动，每运动半波长(或每经过固定时延)之后进行一次信号采样，并对接收信号作相位纠正处理，其中可通过控制时间连续周期(TCP)的大小来控制阵列的运动时间，最后综合处理运动时间内获得的所有接收信号即可进一步提高自由度(DOF)。

在基于互素线性阵列的空间平滑技术下的MUSIC(SS-MUSIC)算法中，向量化接收信号协方差矩阵后，可以利用阵元坐标差集合的思想来创造出许多虚拟阵元，但是其只能利用到差集合中的连续坐标的部分，导致虚拟阵元的利用率并不高，而利用阵列运动的思想，通过信号的时间连续性来进一步填补差集合中的断点部分，使得差集合无断点，从而充分利用虚拟阵元以提高自由度。

对于互素面阵，在天线之间不存在耦合,并且接收信号不相干的情况下，均匀子面阵的接收信号模型X_i＝A_iS+N，i＝1,2；然后对接收信号模型求其协方差矩阵对R_i进行特征分解可以得到噪声子空间E_ni；构造谱函数利用分母位置噪声子空间与阵列流型正交的特点进一步构造出一个新函数，然后通过对其求偏导并令其等于0来获得待估的两个参数之间的关系式，从而将谱函数f_i(u,v)替换为仅含有一个参数的函数，即可实现二维到一维的RD MUSIC算法。同时在互素面阵中，由于真实角与模糊角之间均存在一定的线性关系，所以该算法只需要在很小的一个范围内进行搜索获得一组估计值，通过线性关系即可获得包括真实角和模糊角在内的所有可能的DOA估计值。最后通过对比两子阵的DOA估计结果，找到其中最接近的K(信号源数)组值即可获得最终的DOA估计值。

现有的方法虽然可以极大地提高自由度，但是其阵列孔径依然被限制在一维上，无法实现二维DOA估计。而RD MUSIC算法虽然在保证估计精度的同时极大地降低了复杂度，但是其无法被直接应用于本发明中所提出的新型虚拟阵列构型。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提供一种新型虚拟阵列结构，突破单个线性阵列只能进行一维DOA估计的限制，在一般的运动方向(即运动方向与阵列所在直线有一个夹角)下依然可以实现二维DOA估计的方法，该方法可以进一步提高估计精度和自由度。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明首先提供一种新型虚拟阵列结构，是将互素线性阵列沿着与自身所在直线呈一定角度的方向作匀速直线运动，其两个子阵被控制在不同的固定时延处进行信号采样，然后分别针对两个子阵进行综合信号处理，即可获得两个虚拟平行四边形子面阵，两子面阵联合在一起形成一个一般化的虚拟互素平行四边形阵列，即新型虚拟阵列结构。

进一步地，两个子阵需要保持其垂直方向的运动距离分别为和其中M₁和M₂为一组互素整数，分别为一个互素线阵中包含的两个子阵的阵元数。

进一步地，两个子阵需要保持其水平方向的运动距离分别为和其中M₁和M₂为一组互素整数，分别为一个互素线阵中包含的两个子阵的阵元数。