[发明专利]一种基于互质阵列的虚拟波束形成方法

说明书

技术领域

本发明属于阵列波束形成技术领域，涉及一种基于互质阵列的虚拟波束形成方法。

背景技术

互质阵列是在2010年提出的一种新型的非均匀稀疏阵列，由两个阵元间距呈现互质关系的均匀稀疏子阵列组成，相比于最小冗余矩阵、嵌套阵列等传统非均匀稀疏阵列，互质阵列具有阵元布局设计简单、阵元互耦影响微小等突出优点。

阵列信号处理在雷达、声呐、通信、地震勘探等领域获得了广泛应用，它的两个主要研究方向为波达方向估计和波束形成。互质阵列最早应用于空间信号源的波达方向估计，利用差协同阵等效原理扩张相关矩阵的维数，提高可分辨信号源的数目，实现最大可分辨信号源数目突破阵元数目的限制。

互质阵列也逐渐被应用于波束形成方面，现有的方法概括为两步：第一步，两个均匀稀疏子阵列的接收信号分别进行加权叠加，通过权系数沿空间方向的遍历，形成两个独立的带有栅瓣的子波束；第二步，两个子波束进行联乘融合，抑制栅瓣同时保留在信号源方向的主瓣，达到提取期望信号的目的。然而，该方法在子波束联乘融合时部分栅瓣被保留退化为旁瓣，造成明显的旁瓣干扰，此外，空间中存在多个信号源时，子波束中信号源的栅瓣会混叠入主瓣，导致子波束主瓣扭曲或衰退，联乘融合造成严重的栅瓣残余和主瓣退化，输出波束杂乱无章无法分辨多个信号源方向。因此，现有基于互质阵列的波束形成方法存在旁瓣干扰、不适用于多信号源的明显缺陷。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，可以明显克服旁瓣干扰、能够轻易分辨出多信号源的基于互质阵列的虚拟波束形成方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：

一种基于互质阵列的虚拟波束形成方法，包括以下步骤：

1)布设多个阵元形成互质阵列，对不同空间方向上多个非相关信号源的入射信号进行多快拍采样；

2)利用互质阵列采集的多快拍信号，对互质阵列的相关矩阵中，不同相关间隔的相关函数值进行时间平均估计；

3)基于相关间隔与互质阵列差协同阵虚拟阵元位置的对应关系，提取具有连续相关间隔的相关函数值，构造差协同阵中均匀密布虚拟阵元的等效单快拍信号；

4)根据均匀密布虚拟阵元位置分布设计权向量，对等效的单快拍信号进行加权叠加得到输出波束。

作为优选：步骤1)具体方式为：将N+2M－1个阵元摆放为包含两个均匀稀疏子阵列的互质阵列，阵元位置为：

x＝{Mnd₀,0≤n≤N-1}U{Nmd₀,1≤m≤2M-1}(1)

式(1)中，d₀为半波长的单位间隔，当工作频率为f₀时d₀＝λ/2＝c/2f₀；在互质阵列的差协同阵中，虚拟阵元的位置由式(1)中阵元位置的差值决定，中间2MN+2M-1个虚拟阵元以单位间隔d₀为阵元间距均匀分布于-(MN+M-1)d₀到(MN+M-1)d₀之间，即中间2MN+2M-1个虚拟阵元虚拟阵元呈现均匀密布特性，而边缘两侧小部分的虚拟阵元呈现非均匀稀疏分布特性，如图2所示。

当功率分别为L,的L个互不相关的信号源沿各自对应方向θ₁,θ₂,L,θ_L入射至互质阵列，则在第k个快拍采样时刻的接收信号矢量表示为：

y(k)＝[y₁(k),y₂(k),L,y_N+2M-1(k)]

(2)

＝A×s(k)+ε(k)

式(2)中，s(k)＝[s₁(k),s₂(k),L,s_L(k)]^T为源信号矢量，上标T表示矩阵转置；ε(k)为空域和时域的白噪声矢量；A是互质阵列操纵矩阵，A中第(i,l)个元素表示为：

式(3)中，x_i为互质阵列中第i个阵元的位置，θ_j是第j个信号源的入射方向，k₀＝2πf₀/c为波数，c为自由空间光速；

若互质阵列共进行了K次快拍采样，形成的信号矩阵表示为：

Y＝[y(1),y(2),L,y(K)](4)。

作为优选：步骤2)具体为：