基于差和共阵的新型高自由度互质阵

针对均匀线列阵自由度(DOF)受限于阵元数的问题,该文提出一种基于差和共阵的新型互质阵,称为放置互质阵(DCA),其借助由接收信号的时域和空域信息组合成的共轭增广矩阵得到等价的差和共阵来进行波达方向(DOA)估计.DCA将广义互质阵放置在与原点处单阵元相隔一定距离的位置,实现了和共阵与差共阵的阵元位置互补,从而最大限度上利用和共阵带来的自由度增幅.该文给出了DCA阵元位置和放置距离的闭式表达,随后分别对DCA的差共阵及和共阵的连续阵元及孔洞位置进行了理论分析,同时给出了两者间的关系,说明了DCA的高自由度特性.多个仿真实验验证了所提阵型DOA估计的有效性.     

互质阵列DOA估计性能综合分析北大核心CSCD

互质阵列是近年来兴起的新型阵列,能显著提高阵列自由度,处理信源数大于阵元数时的波达方向(DOA)估计,且能提高角度分辨率和测角精度。文中根据互质阵物理阵元和虚拟阵元特点,结合多重信号分类(MUSIC)算法提出适用于互质阵基于物理阵列和虚拟阵列的DOA估计方法。该方法以非相干信号源为研究对象,利用互质阵列建立信号接收模型,基于物理阵列的DOA估计方法根据互质阵物理阵元位置特点推导其导向矢量,然后根据导向矢量计算回波信号数据和信号协方差矩阵,最后利用MUSIC算法进行DOA估计。基于虚拟阵列的DOA估计方法根据其虚拟阵元数据特点在向量化协方差矩阵并去冗余后选取连续虚拟阵元接收数据,然后对新协方差矩阵进行一维Toeplitz平滑重构,最后利用MUSIC算法或求根MUSIC算法进行DOA估计。与等阵元数的均匀线阵进行对比,仿真实验验证了互质阵列DOA估计性能的优越性。     

互质阵中基于降维求根的波达角估计算法

该文提出互质阵中基于降维求根的波达角(DOA)估计算法。互质阵包含两个稀疏均匀线性子阵,拥有互质的阵元间距和阵元数目。该算法基于子阵间的互协方差,利用较长子阵中的旋转不变性扩展较短子阵的虚拟孔径。然后通过矩阵分块构造噪声子空间,并将来自两个子阵的2维参数估计问题降维为1维求根问题,获得自动配对的2维模糊参数估计。最后由这2维模糊参数可恢复出两组参数,根据互质性从两组参数估计的交集中可以获得无模糊的高分辨率DOA估计。相比互质阵中的联合多重信号分类(MUSIC)算法和联合旋转不变技术(ESPRIT)算法,该算法无需特征分解,复杂度低,但可获得更精确的DOA估计,处理更多的信源,并且对色噪声有更强的鲁棒性。多个仿真结果均验证了所提算法的有效性。     

基于双频虚拟互质阵列的均匀稀疏阵列DOA估计算法

提出了一种利用双频工作模式解决均匀稀疏阵列波达方向角(DOA)估计的方法。对一个物理均匀稀疏阵列,引入一个合适的额外工作频率,通过优选阵元数量及阵元间距,构建一个虚拟稀疏阵列,使得虚拟阵元间距与相邻真实均匀稀疏阵列的阵元间距成互质关系;物理均匀稀疏阵列与虚拟阵列组合形成一个自由度更高的虚拟互质阵列,将两个频率的接收信号对应合并后进行相关处理,得到虚拟互质阵列的阵列流形相关矩阵;基于相关间隔与差协同阵阵元位置的一一对应关系,对虚拟相关矩阵进行矩阵增广实现DOA估计,能够获得更高的自由度,突破物理阵元数目对最大可分辨信源数目的限制。基于MUSIC 算法的仿真结果验证了算法的可行性。     

基于广义互质双平行阵列的二维DOA估计方法

对于给定阵元数目的 传统双平行均匀线阵,由于其阵列布局受到空间采样定理限制,阵列孔径不能有效扩展,二维波达方向(DOA)估计的精度和自由度难以得到有效提升.提出一种基于广义互质双平行阵列的二维DOA估计方法.采用两个互相平行的广义互质线阵进行虚拟扩展得到含有较多虚拟阵元的差分优化阵列,并利用该虚拟阵列的协方差信息和互协...     

互耦条件下均匀线阵DOA盲估计

阵元间存在互耦时,经典的波达角(DOA)估计算法性能急剧下降甚至失效。针对互耦条件下均匀线阵DOA估计问题,该文提出一种基于盲源分离的DOA盲估计算法。首先,利用源信号的统计特性,由盲源分离方法估计广义阵列流形矩阵;然后,利用均匀线阵互耦矩阵带状、Toeplitz矩阵的特点,将DOA估计问题转化为多个可分离非线性最小二乘问题,由多个1维频域搜索得到DOA的估计。该算法无需高维搜索或多维迭代,对互耦自由度要求更低,互耦自由度未知时仍旧适用,稳健度高。数值仿真验证了该文算法的有效性。     

阵元失效条件下的高精度DOA估计方法

为解决波达方向（Direction Of Arrival,DOA）估计方法在阵元失效条件下性能下降甚至失效的问题,本文提出一种基于Toeplitz协方差矩阵重构的DOA估计方法.首先,提出了一种失效阵元检测方法,并根据阵列的鲁棒性将失效阵元分为冗余阵元失效和非冗余阵元失效两种情况.然后,分别针对两种失效场景提出相应DOA估计方法：一是冗余阵元失效,利用阵列冗余度,结合差联合阵列对失效阵元进行填充;二是非冗余阵元失效,利用阵列冗余度进行填充后仍存在空洞,结合矩阵填充理论,用迹范数代替秩范数进行凸松弛以恢复协方差矩阵,进而实现对虚拟阵元空洞的填充,恢复阵列自由度.相对于稀疏类算法,有效消除了模型失配的影响.最后,基于子空间方法进行DOA估计.理论和仿真结果表明,相对于现有方法,本文方法有效避免了阵元失效的影响,提高了估计精度.     

基于MUSIC算法的球面共形阵DOA估计

由于球面共形天线阵所具有的特殊性质,使得其利用经典MUSIC算法进行DOA估计时,导向矢量与噪声子空间不正交,算法性能受到较大影响。在考虑各阵元接收某信号强度不一致的同时,根据子阵内阵元相似度高这一特点,对基于子阵分割的有向阵元MUSIC算法在球面共形阵上进行了DOA估计仿真实验,结果表明:该方法应用于球面共形阵,可以快速准确地估计出多个信号的DOA。     

基于互质阵列的相干与非相干目标DOA估计算法

提出基于互质阵列的相干与非相干混合目标空间达波方向(DOA)估计算法。首先,基于差协同阵等效的概念,将互质阵列相关矩阵的元素重排形成增广相关矩阵;然后采用矩阵重构对增广相关矩阵进行解相关处理;最后,对解相关的增广相关矩阵进行多重信号分类(MUSIC)空间谱搜索,实现对目标的DOA估计。仿真结果表明,该算法可实现对数目多于互质阵列物理阵元的相干与非相干混合目标的DOA估计。对比矩阵重构、前向空间平滑和前后向空间平滑3种解相关算法,矩阵重构解相关获得了更大的可分辨目标数目,在低信噪比(SNR)下呈现出更佳的估计误差性能,而空间平滑解相关在低快拍情况下具备更优的估计误差性能。     

自由度和互耦联合优化的三阶嵌套阵

针对现有嵌套阵自由度低、互耦率高的问题,本文采用均匀线阵进行级联,提出一种高自由度低互耦的三阶嵌套阵,该结构保留了嵌套阵的原有优势,具有物理阵元位置和自由度的闭式解,且极大程度地降低了阵元互耦。首先,对传统的回波信号模型引入互耦矩阵,建立了互耦条件下回波信号模型;然后,给出了三阶嵌套阵的布阵方式,并推导了“差联合阵列”结构下物理阵元的最佳配置和自由度的闭合表达式;最后,结合压缩感知技术进行波达方向估计。仿真实验表明,与现有嵌套阵相比,所提三阶嵌套阵在不增加物理阵元数目的条件下可以有效提升自由度,降低阵元互耦,从而提升角度估计性能。      

基于Toeplitz协方差矩阵重构的互质阵列DOA估计方法

针对基于互质阵列的欠定DOA估计方法对于虚拟阵元非连续部分利用率不高的问题,该文提出一种基于Toeplitz协方差矩阵重构的DOA估计方法。首先,从互质阵列差联合阵的角度分析虚拟阵元分布特性,结合其与协方差矩阵中各元素得到的波程差存在对应关系,将协方差矩阵进行扩展得到一个数据缺失的高维协方差矩阵;然后,根据矩阵填充理论,用迹范数代替秩范数进行松弛,对缺失元素进行填充;最后,利用现有root-MUSIC方法进行DOA估计。理论分析和仿真结果表明,该方法提升了虚拟阵元的利用率,从而增加了虚拟孔径和可估计信号数,同时无需对角度域进行离散化处理,有效消除了模型失配的影响,并且避免了正则化参数选取问题,提高了估计精度和分辨率。     

阵元失效下基于Khatri-Rao积的高分辨测向方法

在雷达、声呐、深空通信等实际应用中,阵元的失效会造成检测性能下降,虚警率增加;在目标方位估计中,阵元失效会造成采样协方差矩阵的秩亏问题,使得基于子空间类的传统目标方位估计方法失效。针对存在阵元失效的均匀线列阵的目标方位估计问题,提出了一种基于Khatri-Rao(KR)积处理的阵列自由度恢复方法以及Toeplitz矩阵数据重构的高分辨DOA估计方法。首先对有损伤的阵列采样协方差矩阵进行KR积处理,将产生的冗余项进行平均处理, 处理后的阵列模型将重构阵列自由度,并将阵列孔径扩展为之前的2倍。该阵列模型等效为一确定噪声下的单快拍的相干源估计, 采用基于Toeplitz矩阵数据重构的方法来去相干,重构协方差,最后采用MUSIC方法进行方位估计。数值仿真表明该方法能有效解决均匀线列阵阵元失效下的自由度损失问题,提高阵列的目标方位估计性能,而且具有计算量小的优点。     

基于L型和差嵌套阵的二维波达方向估计

针对传统L型均匀阵列二维波达方向（Direction of Arrival,DOA）估计中可估计信源数目受限于阵元数、分辨率低等问题,提出了一种新的L型和差嵌套阵列结构。该L型阵列的两个子阵布置相同,是非均匀的稀疏阵,通过阵元位置之间的差分、求和操作达到虚拟扩展阵元数目的效果,从而提升阵列的自由度。采用该阵列进行二维DOA估计时,两个子阵分别先进行一维的DOA估计,再采用PSCM（Pair-matching Signal Covariance Matrices）算法进行一维角度配对。每个子阵进行一维波达方向估计时,先采用VCAM（Vectorized Conjugate Augmented MUSIC）算法生成非均匀稀疏阵的求和求差协方差矩阵,再采用矩阵重构的方法恢复协方差矩阵的秩,最后对协方差矩阵采用MUSIC（Multiple Signal Classification）算法进行DOA估计。实验仿真表明,本阵列有着更高的自由度和估计精度。      

基于稀疏互质电磁矢量阵列的MUSIC算法

为增加传统MUSIC算法可分辨的信号源数,该文构造了一对具有互质关系的2维稀疏电磁矢量阵列,并基于此阵列提出了一种基于3维平滑的MUSIC算法。该算法利用两个阵列间的互质关系形成具有更多自由度的互质差合成阵列,并基于3维(2维空域加极化域)平滑算法恢复其自相关矩阵的秩,达到应用于传统MUSIC算法的目的。该算法的最大优势是仅使用二阶统计量即可系统地增加了原阵列的自由度。计算机仿真结果表明所提算法能估计多于物理阵元数的信号且分辨率高。     

DOA estimation for noninteger linear antenna arrays with moreuncorrelated sources than sensors

We investigate direction-of-arrival (DOA) estimation involving nonuniform linear arrays, where the sensor positions may be noninteger values expressed in half-wavelength units, with some number of uncorrelated Gaussian sources that is greater than or equal to the number of sensors. We introduce an approach whereby the (noninteger) co-array is treated as the most appropriate virtual array when considering an augmented covariance matrix. Since such virtual arrays have an incomplete set of covariance lags, we discuss various completion philosophies to fill in the missing elements of the associated partially specified Hermitian covariance matrix. This process is followed by the application of an algorithm that searches for a specific number of plane wavefronts, yielding the minimum fitting error for the specified covariance lags in the neighborhood of the completion-initialized DOA estimates. In this way, we are able to resolve possible ambiguity and to achieve asymptotically optimal estimation accuracy. Numerical simulations of DOA estimation demonstrate a close proximity to the Cramer-Rao bound     

互质阵列信号处理研究进展:波达方向估计与自适应波束成形

阵列信号处理是雷达领域各类应用的核心技术之一。近年来,互质阵列的提出打破了传统方法受限于奈奎斯特采样速率这一瓶颈,其稀疏布设的阵列结构和互质欠采样的信号处理方式大幅降低了系统所需的软硬件开销,为当前不断提升的实际应用需求提供了理论基础和技术前提。鉴于其在自由度、分辨率及计算复杂度等方面的性能优势,互质阵列信号处理的理论和技术研究受到了国内外学者的广泛关注。该文分别从波达方向估计和自适应波束成形这两个阵列信号处理领域的基本问题出发,介绍了互质阵列信号处理方向的研究进展。在互质阵列波达方向估计方面,该文总结了互质子阵分解方法和虚拟阵列信号处理方法等两类典型技术路线,并以此为基础介绍了压缩感知和无网格化技术在低复杂度和超分辨估计等方面的最新研究工作。在互质阵列波束成形方面,该文剖析了其与互质阵列波达方向估计问题的区别与联系,并介绍了面向互质阵列的高效鲁棒自适应波束成形设计方法。该文旨在通过对互质阵列信号处理研究前沿的分类归纳和总结,探讨各类方法的优势和未来的研究方向,为其在雷达等领域的产业需求和实际应用提供理论和技术参考。      

基于互质阵列孔洞分析的稀疏阵列设计方法

针对互质阵列产生连续延迟较少且冗余度高的问题,该文提出了两种基于互质阵列的稀疏设计方法.首先,通过分析阵元位置对互质阵列差分共阵总延迟和连续延迟影响,得出互质阵列在去掉特定阵元后,将不改变连续延迟拓扑.然后,优化传感器阵列布局,在保持整个阵列的阵元数不变的条件下,增加阵列连续延迟数量.其后,分别推得了两种提出阵列设计方...     

非均匀噪声条件下的互质阵列欠定DOA估计方法

针对基于互质阵列的欠定DOA估计方法在非均匀噪声条件下性能下降的问题,该文提出一种基于协方差矩阵重构和矩阵填充的鲁棒DOA估计方法。首先,将接收数据协方差矩阵分解,得到包含非均匀噪声项的对角阵;然后,选取对角线元素中的最小值,替换其余对角线元素,进而得到重构后的数据协方差矩阵;最后,对重构后的协方差矩阵进行扩展和矩阵填充,结合子空间方法进行DOA估计。理论分析和仿真结果表明,相对于现有方法,该文方法有效地抑制了非均匀噪声的影响,有更好的DOA估计性能。