稀布圆阵的降维优化方法

针对有阵列孔径,阵元数目和最小阵元间距3种约束下的稀布圆形阵列综合问题,该文提出了一种基于修正遗传算法的降维优化方法。为了充分利用阵元布阵的自由度,同时使稀布阵列满足多个设计约束,在阵元排布时将2维平面阵列优化设计降维成1维的稀布直线阵列,计算阵列性能时再还原为平面阵列。该方法改进了现有圆阵综合方法中轨迹圆半径和轨迹圆上阵元数分布优化的不足,实现了全部阵元的联合优化,降低了算法的复杂性,同时保证了阵列的旁瓣性能,仿真结果证明了该方法的有效性。     

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。     

弯曲阵面机载共形阵列雷达方向图与杂波相关性研究

针对载体弯曲效应对机载共形阵列雷达方向图和杂波特性的影响,该文在正侧视条件下评估均匀圆环阵方向图性能,分析不同位置阵元对弯曲阵面方向图合成效率的影响,发现边缘阵子不仅对共形阵列方向图主瓣增益贡献较小,反而更易引起旁瓣抬升等挑战,降低共形阵的孔径利用效率。另一方面,通过严格的理论推导完成共形阵列雷达方向图特性与杂波扩展效应内在物理联系的分析,发现弯曲阵面引起的方向图非理想畸变是共形阵杂波非均匀扩展的核心影响因素。在此基础上,进一步分析共形雷达单个贴片微带阵元加工和安装结构组件将增大阵元物理尺寸,使得共形阵列雷达相邻阵元间距大于半波长,当阵元间隔增大到一定程度时,在方向图远区会形成较高的栅瓣,进一步影响机载共形阵列雷达的杂波分布,通过仿真分析发现在特定的脉冲重复频率(PRF)条件下,“栅瓣杂波”折叠进入主瓣杂波,该文提出通过优化雷达PRF设计,避免栅瓣杂波的折叠效应对机载共形阵列雷达信号处理性能的影响,相关仿真结果验证了所提方法的有效性。     

弯曲阵面机载共形阵列雷达方向图与杂波相关性研究

针对载体弯曲效应对机载共形阵列雷达方向图和杂波特性的影响,该文在正侧视条件下评估均匀圆环阵方向图性能,分析不同位置阵元对弯曲阵面方向图合成效率的影响,发现边缘阵子不仅对共形阵列方向图主瓣增益贡献较小,反而更易引起旁瓣抬升等挑战,降低共形阵的孔径利用效率.另一方面,通过严格的理论推导完成共形阵列雷达方向图特性与杂波扩展效应内在物理联系的分析,发现弯曲阵面引起的方向图非理想畸变是共形阵杂波非均匀扩展的核心影响因素.在此基础上,进一步分析共形雷达单个贴片微带阵元加工和安装结构组件将增大阵元物理尺寸,使得共形阵列雷达相邻阵元间距大于半波长,当阵元间隔增大到一定程度时,在方向图远区会形成较高的栅瓣,进一步影响机载共形阵列雷达的杂波分布,通过仿真分析发现在特定的脉冲重复频率(PRF)条件下,"栅瓣杂波"折叠进入主瓣杂波,该文提出通过优化雷达PRF设计,避免栅瓣杂波的折叠效应对机载共形阵列雷达信号处理性能的影响,相关仿真结果验证了所提方法的有效性.     

圆周阵列太赫兹干涉成像仿真

太赫兹干涉成像原理简单,需要的探测单元少,数据获取效率高,在太赫兹成像应用中有很大发展潜力。研究了太赫兹干涉成像的原理,并设计了用于仿真成像的原理性方案。通过仿真实验分析了成像频率、圆周阵列半径、阵元数目对成像质量的影响以及成像系统的频率带宽。结果表明:在其他条件不变的情况下,成像频率越高,可有效成像要求的阵列半径越小;增加阵元数目可提高成像质量,但增加到一定数量后,提高不明显;均匀圆形阵列的有效成像带宽较宽。仿真结果所得到的结论为太赫兹干涉成像系统设计和实际应用提供了理论依据和技术支持。     

光纤激光阵列自组织相干合成的性能研究

研究了基于倏逝波耦合的自组织相干合成激光阵列。应用静态本征模/超模理论推导阵列模式;通过数值方法考察阵列激光系统的动态特性进而分析输出功率的稳定性、阵列的扩展能力和阵列模式;并对两种方法得到的阵列模式进行了比较分析。结果表明:输出功率的稳定性以及输出功率的大小受阵列的锁相性能和阵元间的相位差影响;随着激光单元数目的增加,阵列总输出功率会非线性增大。通过跟踪各个阵元的相位变化并考察阵列模式的近场和远场特性,初步验证了37单元阵列的相干合成,随着阵元数目的增加,中心阵元与其邻近层阵元的振幅差会逐渐减小。     

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。      

基于遗传算法的超声换能器阵列优化设计

声频定向传输系统可向外发射具有高指向性的声波信号,在工业、医疗和军事等领域具有重要的研究意义和价值。换能器阵列作为该系统中最关键的一环,仍存在成本高,能量转化率低和设备结构复杂等缺点。该文采用遗传算法对阵列布局方式进行优化设计,分析了阵元排列方式和数目对阵列指向性的影响,以达到在减少阵元使用数量的同时有效抑制旁瓣的目的。仿真实验表明,采用遗传算法优化后的阵列可使用更少的阵元数目,同时获得更低的旁瓣,使能量更集中在主瓣方向。因此,该方法可降低阵列设计的复杂度和制造成本,对于声频定向传输系统的改进具有一定的借鉴意义。     

圆形阵列天线方向图的分布函数优化方法

以离散有限长复指数和的计算为基础,讨论了二雏阵列的方向图问题.通过引入分布函数的概念,可知离散有限长复指数和为其分布函数离散傅里叶变换在1点的值.基于此结论,分析了二维阵天线阵元分布于天线方向图之间的关系:二雏阵列任意方向的方向图为其在该方向分布函数的离散傅里叶变换,该分布函数可通过统计其投影在该方向的临近区域处阵元数目获得.然后,通过对混合圆形阵列天线方向图的分析,验证了该关系的正确性,并说明了上述关系在分析阵列方向图的应用.在此基础上,进一步分析了阵元权重系数对方向的影响,发现该方法与通过改变阵列天线阵元分布的方法等效.最后,提出了基于分布函数的圆形阵列方向图优化方法,并通过仿真实验验证了该方法的可行性.该方法可通过改变圆形阵列阵元沿径向的权重系数使得其对应的任意方向的方向图与期望的窗函数近似.     

约束阵元最少化的圆阵列方向图综合

本文提出了一种基于最少阵元约束的圆形阵列方向图综合方法。首先,分析了基于 范数约束时优化模型非凸的原因;其次,利用基于 和 混合约束的优化模型对其进行逼近,与传统方法相比,既扩大了搜索的可行域又提高了优化精度;最后,对阵元数已定的圆形阵列的阵元位置和权值进行联合优化,以克服固定栅格点对方向图综合性能的影响。仿真数据验证了本文方法的有效性,在减少阵元数目的同时可进一步降低圆形阵列方向图的峰值旁瓣电平。      

耦合对环形相控阵生成涡旋电磁波的影响

该文研究了环形天线阵列生成具有轨道角动量的微波频段涡旋电磁波的过程中,天线阵列单元间的耦合对生成的涡旋电磁波的模式的影响.通过理论分析,以及基于矩量法的全波电磁数值计算,给出了在一定的条件下,耦合对生成的涡旋电磁波的模式数的影响.结果表明,当存在耦合的旋转对称性时,耦合不会对涡旋波的生成造成影响;而当不存在耦合的旋转对称性时,单元间耦合会使生成的涡旋波偏离理想结果.耦合对涡旋波的影响程度敏感于模式数、环形阵列半径、观测点方位.基于文中的参数,即使相邻单元间距大于两个波长,耦合也可能使模式数改变14%以上.     

Beamspace Transform for UCA: Error Analysis and Bias Reduction

In this paper, we analyze the error caused by the beamspace transform (BT) when it is applied to uniform circular array (UCA) configuration. Several algorithms for direction of arrival (DoA) estimation exploit this modal transform because it allows using computationally efficient techniques such as polynomial rooting and dealing with coherent sources. The BT is based on the phase-mode excitation principle. The performance of such DoA estimators is degraded if the array has a small number of elements. We introduce a modified beamspace transform (MBT) that performs mapping from element-space to beamspace domain taking into account the error caused by the transform. Justification of the difference in the statistical performances of MUSIC and root-MUSIC algorithms for UCA is also given. Moreover, we show that there is a significant difference in the performance of the UCA root-MUSIC technique depending on whether an even or odd number of elements is used. We derive an expression approximating the bias in the DoA estimates that is caused by the beamspace transform. Some design guidelines are provided for choosing the key UCA configuration parameters such as number of sensors, array radius, and interelement spacing in order to reduce the error. Finally, we propose a novel technique for bias removal. It allows practically bias-free DoA estimation.     

均匀圆阵的测向模糊研究

在高分辨阵列测向系统中,均匀圆阵(UCA)是一种广泛使用的阵列结构。利用均匀圆阵的阵列流形的微分几何作为分析工具,对实际中常用的几种均匀圆阵的测向模糊进行了大量的计算机仿真试验,定量地给出了这些阵列的测向模糊方向和相应的秩,揭示了均匀圆阵的测向模糊性能与其阵元数和孔径之间的关系,得出了一些有实际意义的结论。这对工程应用时均匀圆阵的选择和构造具有很强的参考价值和指导意义,可以避免系统设计的盲目性和随意性。     

均匀圆阵二维波达角估计的Cramer-Rao界

均匀圆阵(UCA)是一种应用广泛的具有二位波达角估计能力的平面阵列。为了从理论上分析不同阵列参数下到达波方位角(AOA)、仰角估计精度,推导了均匀圆阵二维波达角估计的性能界,以此为基础分析了阵列孔径、阵元个数、快拍数以及来波仰角高低与到达角估计精度的关系,并通过对UCA-MUSIC算法计算机仿真验证了推导结果的正确性。研究结果为波达角估计类算法提供了可供参考的性能下界,圆阵设计时也不再需要大量的Monte Carlo仿真试验确定阵列参数,可直接从估计精度表达式中获得。     

MODE SPACE SMOOTHING ALGORITHM TO ESTIMATE DOA OF COHERENT SIGNALS IMPINGING ON UNIFORM CIRCULAR ARRAY

A novel method to estimate DOA of coherent signals impinging on a uniform circular array( UCA) is presented in this paper. A virtual uniform linear array (VULA) is first derived by using spatial DFT technique, transforming the UCA from element space to phase mode space to obtain the properties of ordinary ULA, and then the well known spatial smoothing technique is applied to the VULA so that the lost rank of covariance matrix due to signal coherence can be retrieved. This method makes it feasible to use the simple MUSIC algorithm to estimate DOA of coherent signals impinging on a UCA without heavy computation burden. Simulation results strongly verify the effectiveness of the algorithm.     

均匀天线阵列的空间相关性函数分析

推导了均匀圆形阵列与均匀线形阵列的空间相关性函数精确表达式和近似表达式。表达式由天线间距、阵列形状以及到达角分布构成。利用均匀角能量分布,分析均匀圆形阵列与均匀线形阵列的空间相关性精确模型和近似模型,并利用Matlab进行仿真。仿真结果表明,近似分析在一定的条件下可替代精确分析,并可减少74%的运算时间。     

一般阵列误差情况下信号二维方向角估计

针对均匀圆阵存在一般阵列误差的情况,提出一种信号二维方向角估计方法.基于均匀圆阵的阵列流形和阵列输出的协方差矩阵,采用加权总体最小二乘法估计信号二维方向角.并给出了解整周期性模糊的方法.计算机仿真表明了此方法估计精度高,对阵列误差鲁棒性强,并且各项性能都接近于CRB.     

频率分集均匀圆阵MIMO雷达距离依赖波束形成

均匀圆阵(UCA)与多输入多输出(MIMO)雷达的结合可在具备UCA雷达主要优点的同时兼有MIMO 雷达的优势。然而,UCA-MIMO雷达的波束形成与距离无关,该特点限制了其抑制特定距离干扰的性能。文中提出频率分集UCA-MIMO雷达距离依赖波束形成方法。该方法中UCA的每个阵元发射具有微小频率步进的不同频率,从而远场的信号积累与距离有关,进而波束形成依赖于距离。仿真实验表明了该方法的有效性。     

Improved base station circular antenna array receiver for wireless CDMA systems

A Spatial interpolation technique for the upsampling of uniform circular arrays (UCAs), beyond spatial aliasing, is considered. The UCA interpolation algorithm is used as a preprocessing procedure in the reverse link to improve the performance of a cellular code division multiple access (CDMA) system. The motivation is to enhance the system's capacity and array resolution and reduce the fading and coupling effects with minimal receiver hardware and cost. At the base station, we propose to place the antenna elements uniformly on an imaginary circumference farther apart than/2, where is the free-space wavelength. The resulting UCA possesses superior resolution, less coupling effects than a corresponding UCA with the same number of elements and circumferential spacing less than or equal to/2, and possibly higher diversity gain. In order to increase the system's capacity and eliminate any spatial aliasing, we propose to interpolate the UCA to within the spatial Nyquist rate. This is achieved by placing a virtual antenna element halfway on the circumference between every two adjacent antenna elements. Simulations results are provided to support our claims.     

一种新的波达方向和多普勒频率估计算法

基于均匀圆形阵列,提出了一种同时估计空间非相干信号源方位角、仰角和多普勒频率的快速算法。该方法对均匀圆阵的输出信号进行模式空间转换,使得阵列流形具有类似于均匀线阵的形式,然后通过构造相应的数据矩阵得到传播算子的最小二乘（LS）估计,并由传播算子构造出一个特殊的低维矩阵,其特征值给出多普勒频率估计,特征向量舍有阵列流形的信息。结合模式空间阵列流形的性质,给出了一种DOA估计的总体最小二乘算法,在低信噪比条件下可提高测向精度。该方法不需要谱峰搜索和参数配对,具有运算量小的优点。计算机仿真验证了该方法的有效性。