[发明专利]鲁棒性可分级的稀疏阵列频率和DOA估计方法及装置

说明书

本发明公开了一种鲁棒性可分级的稀疏阵列频率和DOA估计方法及装置，方法包括：根据松弛互素稀疏阵列、Tsui频谱校正器获取校正后的频率、幅值、相位的参数组；根据校正后的频率构造第一余数数组，并结合面向鲁棒性余数系统进行频率重构，通过对频率的平均操作，获取频率估计值和波长；根据校正后的相位信息和幅值信息构造均值矢量，根据相位和均值矢量的关系得到阵元上信号的相位估计，通过做差得到两个相位差值；根据两个相位差值构造第二余数数组，并结合面向鲁棒性余数系统进行DOA重构，得到中间参数，并结合估计公式计算出DOA估计值。装置包括：松弛互素稀疏阵列、ADC采样器、DSP、显示装置。本发明利用松弛互素稀疏阵列完成频率和DOA估计。

技术领域

本发明涉及阵列信号分析处理技术领域，尤其涉及一种鲁棒性可分级的稀疏阵列频率和DOA估计方法及装置，应用于抗噪声鲁棒性上。

背景技术

入射信号的频率和到达方位角(direction of arrival,DOA)的联合估计是雷达^[1]、无线通信系统^[2]、电子战等被动目标感知领域至关重要的问题，然而该估计的难度随着入射信号频率的升高逐步加大。例如，当前雷达工作频段正从S波段、C波段到X波段、K波段的逐步过渡，其信号波长则相应从米级、分米级、厘米级逐渐缩短。这就导致了两个突出问题：第一，空间域奈奎斯特采样定理要求天线阵元间距不小于信号半波长，故对于短波长情况则不得不将各阵元做密集布置，这必然引起非常严重的阵元间耦合效应；第二，时间域奈奎斯特采样定理要求采样速率不低于信号最高频率的两倍，故随着工作频段的升高，现有的模数转换器(analog to digital converter,ADC)在采样率和功耗两方面达不到要求。

基于时、空欠采样的频率和DOA联合估计方案是解决以上问题的根本途径。该方案主要考虑两个基本问题：一是稀疏阵元排列与配置，二是频率和DOA参数重构算法的设计。

在稀疏阵元排列与配置方面，早期曾出现过最小协同阵列^[3]、最小空洞阵列^[4]，虽然这些稀疏阵列都可降低阵元间耦合效应，但其阵列结构不具有闭合的推导形式而难以获得工程应用。近年来，Vaidyanathan提出了稀疏嵌套阵列^[5]、互素阵列^[6]及其改进后版本，但这些阵列无法保证所有阵元都是稀疏分布的，这意味着无法完全消除阵元间耦合。

在频率和DOA参数重构算法的设计方面，文献^[7]提出了一种角度和频率联合估计器，该估计器采用了多分辨率ESPRIT。其中，考虑了长基线和短基线两个阵元间距。其中长基线代表半波长，这意味着空域欠采样条件不能满足。所以，这种估计器只能用于检测低频率电磁波。另一个例子是基于矩阵特征空间分解的树形结构的频率-空间-频率算法^[8],该算法只适用于密集均匀线性阵列。文献[9]-[10]只涉及了DOA估计，而不能进行频率估计。

文献^[11]选定互素阵列作为稀疏阵列，并且首次将中国余数定理(ChineseRemainder Theorem，CRT)引入到时空欠采样下的频率与DOA联合估计中，但是该算法需对单阵元做多次欠采样，耗费较多的快拍数据，且重构需进行多次搜索，故数据处理效率不高；为提高处理效率，文献^[12]提出单次空时域并行欠采样下的频率和到达角联合估计算法，该算法用松弛互素阵列替代了经典互素阵列，用单次欠采样替代了多次欠采样，用闭式鲁棒中国余数定理^[13]替代了基于搜索的中国余数定理，既获得了更高的数据处理效率，又提高了参数估计精度。但是这些估计器的抗噪声鲁棒性还是不够高。

可以从改善估计器的两个基本问题入手来提升抗噪鲁棒性。在改善第1个基本问题方面(即稀疏阵元排列与配置)，可以通过增加阵元数目以及每阵元采集的快拍数目来实现，然而这意味着加重耗费系统成本的负担，而且常常是工程应用所不允许的。因而，改善第2个基本问题(即改进重构算法)才是提升抗噪鲁棒性的可行途径。

参考文献