基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法及装置

1.本发明属于阵列天线信号处理技术领域，特别涉及一种基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法及装置，适用于基于混合远近场信源设计出的嵌套阵列天线。


背景技术：

2.在第五代移动通信(5g)中，大规模阵列天线被广泛应用，目标信源到阵列天线的距离被视为无穷远，信号的波前可以近似为均匀平面波，此时信源模型为远场模型，对于一维阵列天线，目标信源的位置由方位角一个参数决定。然而在预研的第六代移动通信系统(6g)中，超大天线阵列(extremely lagre antenna array,elaa)成为关键技术，目标信源模型为近场模型。与远场模型不同的是，此时信源距离阵列天线的距离太小，信号波前固有曲率无法忽略不计，波前由球面波来表示。因此，目标信源的位置参数由方位角和距离两个参数决定，增加了重要的距离信息，这是近场或混合场阵列天线的一大独特性。由此可见，远场信源定位只是近场信源定位的一种特殊形式。实际工程当中，混合场信源定位同时包含近场信源和远场信源，因此对于混合场的研究具有非常重要的实际意义。
3.基于混合远近场信源的嵌套阵列天线，以入射信号的四分之一波长为单位阵元间距，将阵元非等间距排布。然而，阵列天线中较小的阵元间距会导致一系列问题，例如部分阵元之间互耦泄露严重，导致阵列天线的空间分辨率降低和参数估计性能严重下降。因此，对于基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除的问题，研发出对应的方法至关重要。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法及装置，通过估计出阵列天线的互耦参数，从而进行互耦补偿，实现消除互耦干扰。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
6.本发明提供了一种基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，包含以下步骤：
7.根据未知互耦矩阵、近场阵列流型、远场阵列流型、近场信源、远场信源和噪声对阵列天线接收信号进行建模；
8.由单位矩阵i和互耦参数不为1的互耦参数矩阵c共同构建未知互耦矩阵ce；
9.当未知互耦存在时，构建导向矢量表达式，且将导向矢量转化为两个子矩阵之和的形式；
10.根据导向矢量构建互耦参数矩阵c，随后根据信号子空间与噪声子空间正交原理将互耦参数估计问题转化为doa和互耦参数的联合优化问题，再通过对doa和互耦参数进行一维搜索，求解doa估计值和互耦参数估计值
11.利用互耦参数估计值构成未知互耦矩阵的估计值对未知互耦矩阵ce进行补
偿。
12.根据本发明基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，优选地，对阵列天线接收信号建模，建模表达式如公式(1)：
13.x(t)＝c
eaffsff
(t)+c
eanfsnf
(t)+n(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
14.式中，x(t)是阵列天线接收信号，ce是未知互耦矩阵，a
nf
是近场阵列流型，a
ff
是远场阵列流型，s
nf
(t)是近场信源，s
ff
(t)是远场信源，n(t)是噪声，t是时间。
15.根据本发明基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，优选地，未知互耦矩阵ce的表达式如公式(2)：
[0016][0017]
式中，q是均匀直线子阵传感器总数，t是阵列传感器总数，i是单位矩阵，c是未知互耦矩阵ce中互耦参数不为1的矩阵。
[0018]
根据本发明基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，优选地，当未知互耦存在时，导向矢量表达式如公式(3)：
[0019]
a(θ,r,c)＝cea(θ,r)＝q[a(θ,r)]c
ꢀꢀ
(3)
[0020]
式中，θ是波达方向，记为doa，r是距离参数，c是互耦参数，q表示将互耦参数c分离后仅包含导向矢量[a(θ,r)]的新矩阵。
[0021]
根据本发明基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，优选地，设l为互耦参数矩阵c的自由度，将公式(3)中的t
×
l矩阵q[a(θ,r)]拆分成两个子矩阵之和的形式：
[0022]
q[a(θ,r)]＝q[a(θ,r)]1+q[a(θ,r)]2ꢀꢀ
(4)
[0023]
其中，子矩阵q[a(θ,r)]1和q[a(θ,r)]2满足以下条件，f和g分别表示矩阵的行数和列数：
[0024][0025][0026]
根据本发明基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，优选地，由信号子空间与噪声子空间正交原理，得知：
[0027][0028]
式中，un是噪声子空间，[
·
]h是矩阵的共轭转置；
[0029]
将公式(3)、公式(4)代入公式(7)，互耦参数矩阵c表示为：
[0030][0031]
根据本发明基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，优选地，根据信号子空间与噪声子空间正交原理将互耦参数估计问题转化为doa和互耦参数的联合优化问题，数学表达式如下：
[0032][0033]
式中，分别表示doa估计值和互耦参数估计值，arg min f(x)表示当f(x)取最小值时，x的取值；通过对doa和互耦参数进行一维搜索，求解doa估计值和互耦参数估计值
[0034][0035][0036]
式中，det表示求一个矩阵的行列式，arg max f(x)表示当f(x)取最大值时，x的取值，e
min
表示求矩阵最小特征值对应特征矢量的算子。
[0037]
根据本发明基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，优选地，利用互耦参数估计值构成未知互耦矩阵的估计值对未知互耦矩阵ce进行补偿，阵列天线经过互耦补偿后，接收信号的表达式如下：
[0038][0039]
本发明还提供了一种基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除装置，包括：
[0040]
接收信号建模模块，用于根据未知互耦矩阵、近场阵列流型、远场阵列流型、近场信源、远场信源和噪声对阵列天线接收信号进行建模；
[0041]
未知互耦矩阵构建模块，用于由单位矩阵i和互耦参数不为1的互耦参数矩阵c共同构建未知互耦矩阵ce；
[0042]
导向矢量模块，用于当未知互耦存在时，构建导向矢量表达式，且将导向矢量转化为两个子矩阵之和的形式；
[0043]
doa和互耦参数估计模块，用于根据导向矢量构建互耦参数矩阵c，随后根据信号子空间与噪声子空间正交原理将互耦参数估计问题转化为doa和互耦参数的联合优化问题，再通过对doa和互耦参数进行一维搜索，求解doa估计值和互耦参数估计值
[0044]
未知互耦矩阵补偿模块，用于利用互耦参数估计值构成未知互耦矩阵的估计值对未知互耦矩阵ce进行补偿。
[0045]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0046]
本发明基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法首先能够实现互耦参数的估计，再利用估计出的互耦参数构成未知互耦矩阵的估计值，从而补偿未知互耦矩阵，实现了对原阵列天线的互耦补偿，达到消除互耦干扰的目的，使得阵列天线更精确地进行波达方向(doa)的估计，同时能够实现更好的距离估计，提升了基于混合远近场信源的嵌套阵列天线在实际工程中的应用性能，同时降低硬件成本。
附图说明
[0047]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0048]
图1是本发明实施例的基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法的流程示意图；
[0049]
图2是本发明实施例的阵列天线互耦补偿前后，doa估计归一化空间谱对比图；
[0050]
图3是本发明实施例的阵列天线互耦补偿前后，距离估计归一化空间谱对比图；
[0051]
图4是本发明实施例的阵列天线互耦补偿前后，不同阵列天线的doa估计rmse曲线；
[0052]
图5是本发明实施例的阵列天线互耦补偿前后，不同阵列天线的距离估计rmse曲线。
具体实施方式
[0053]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0054]
如图1所示，本实施例的基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，包含以下步骤：
[0055]
步骤s1，在波达方向(doa)估计研究领域，未知互耦(umc)可显著干扰阵列天线的定位性能。虽然基于混合远近场信源的嵌套阵列天线结构的稀疏性可以在一定程度上降低未知互耦，但是残余未知互耦仍然对定位性能有很大影响。根据未知互耦矩阵、近场阵列流型、远场阵列流型、近场信源、远场信源和噪声完成对阵列天线接收信号进行建模，建模表达式如公式(1)。
[0056]
x(t)＝c
eaffsff
(t)+c
eanfsnf
(t)+n(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0057]
式中，x(t)是阵列天线接收信号，ce是未知互耦矩阵，a
nf
是近场阵列流型，a
ff
是远场阵列流型，s
nf
(t)是近场信源，s
ff
(t)是远场信源，n(t)是噪声，该噪声为高斯白噪声，，t是时间。
[0058]
步骤s2，由单位矩阵i和互耦参数不为1的互耦参数矩阵c共同构建未知互耦矩阵ce，未知互耦矩阵ce的表达式如公式(2)。
[0059][0060]
由于基于混合远近场信源的嵌套阵列天线呈对称结构，且包含数个均匀直线子阵，因此设q为该均匀直线子阵传感器总数，t是阵列传感器总数，i是单位矩阵，c是未知互耦矩阵ce中互耦参数不为1的矩阵。
[0061]
步骤s3，当未知互耦存在时，构建导向矢量表达式，且将导向矢量转化为两个子矩阵之和的形式。
[0062]
当未知互耦存在时，导向矢量表达式如公式(3)。
[0063]
a(θ,r,c)＝cea(θ,r)＝q[a(θ,r)]c
ꢀꢀꢀ
(3)
[0064]
式中，θ是波达方向(记作doa)，r是距离参数，c是互耦参数，q表示将互耦参数c分离后仅包含导向矢量[a(θ,r)]的新矩阵。
[0065]
设l为互耦参数矩阵c的自由度，将公式(3)中的t
×
l矩阵q[a(θ,r)]拆分成两个子矩阵之和的形式：
[0066]
q[a(θ,r)]＝q[a(θ,r)]1+q[a(θ,r)]2ꢀꢀꢀ
(4)
[0067]
其中，子矩阵q[a(θ,r)]1和q[a(θ,r)]2满足以下条件，f和g分别表示矩阵的行数和列数：
[0068][0069][0070]
步骤s4，根据导向矢量构建互耦参数矩阵c，随后根据信号子空间与噪声子空间正交原理将互耦参数估计问题转化为doa和互耦参数的联合优化问题，再通过对doa和互耦参数进行一维搜索，求解doa估计值和互耦参数估计值
[0071]
具体地，由信号子空间与噪声子空间正交原理，可知：
[0072][0073]
式中，un是噪声子空间，[
·
]h是矩阵的共轭转置。
[0074]
将公式(3)、公式(4)代入公式(7)，互耦参数矩阵c表示为：
[0075][0076]
根据信号子空间与噪声子空间正交原理将互耦参数估计问题转化为doa和互耦参数的联合优化问题，数学表达式如下：
[0077][0078]
式中，分别表示doa估计值和互耦参数估计值，arg min f(x)表示当f(x)取最小值时，x的取值。随后通过对doa和互耦参数进行一维搜索，求解doa估计值和互耦参数估计值
[0079][0080][0081]
式中，det表示求一个矩阵的行列式，arg max f(x)表示当f(x)取最大值时，x的取值，e
min
表示求矩阵最小特征值对应特征矢量的算子。
[0082]
步骤s5，利用互耦参数估计值构成未知互耦矩阵的估计值对未知互耦矩阵ce进行补偿。
[0083]
具体地，首先利用步骤s4得到的互耦参数估计值构成互耦参数矩阵的估计值，再根据公式(2)构成未知互耦矩阵的估计值从而补偿未知互耦矩阵ce，达到消除互耦干扰的目的。阵列天线经过互耦补偿后，接收信号的表达式如下：
[0084][0085]
与上述基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法相应地，本实施例还提供一种基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除装置，包括：
[0086]
接收信号建模模块，用于根据未知互耦矩阵、近场阵列流型、远场阵列流型、近场信源、远场信源和噪声对阵列天线接收信号进行建模。
[0087]
未知互耦矩阵构建模块，用于由单位矩阵i和互耦参数不为1的互耦参数矩阵c共同构建未知互耦矩阵ce。
[0088]
导向矢量模块，用于当未知互耦存在时，构建导向矢量表达式，且将导向矢量转化为两个子矩阵之和的形式。
[0089]
doa和互耦参数估计模块，用于根据导向矢量构建互耦参数矩阵c，随后根据信号子空间与噪声子空间正交原理将互耦参数估计问题转化为doa和互耦参数的联合优化问题，再通过对doa和互耦参数进行一维搜索，求解doa估计值和互耦参数估计值
[0090]
未知互耦矩阵补偿模块，用于利用互耦参数估计值构成未知互耦矩阵的估计值对未知互耦矩阵ce进行补偿。
[0091]
下面通过实验验证本发明所提方法对doa和距离估计性能提升的有效性。
[0092]
实施例二
[0093]
考虑到一个天线数为9的对称嵌套阵列天线(sna)，该阵列天线使用空间平滑music方法对混合场信源角度与距离参数进行区分。设置一组混合场信源，其中一个是近场(nf)信源(10
°
，10λ)，另一是远场(ff)信源(30
°
，+∞)。实验实施条件如下：设置信噪比snr＝15db，快拍数o＝2000，蒙特卡罗实验次数υ＝1。图2为doa估计归一化空间谱对比图，图中nf代表近场信源，ff代表远场信源，without parameter offsetting代表未经过互耦补偿的结果，with parameter offsetting代表经过互耦补偿的结果，竖直虚线为实际真实值。sna阵列天线可以成功分辨出近场信源与远场信源相同的doa。从图2中可知未经过互耦补偿的doa估计精度低于经过互耦补偿的doa估计精度，这是因为在求解doa时，互耦参数引入了相应误差。图3为距离估计归一化空间谱对比图，根据doa与距离之间的配对关系，距离和角度可自动配对，近场信源与远场信源可成功区分。同样地，从图3中可知未经互耦补偿的距离估计精度低于经过互耦补偿的距离估计精度。
[0094]
为了验证本发明所提方法的普适性，本发明使用4种阵列天线进行实验，验证本发明所提方法对阵列天线的doa和距离估计性能可进行有效提升。样本阵列天线选择4种经典混合场的嵌套阵列天线，分别为对称嵌套阵列(sna)、对称双嵌套阵列(sdna)、对称双互质阵列(sdca)和对称增强嵌套阵列(esna)。
[0095]
本发明分别使用纯近场信源和混合场信源，来验证所使用阵列天线在信噪比(signal to noise ratio，snr)递增条件下的估计值均方根误差(root mean square error,rmse)的变化。
[0096]
假设输入信号的snr的数学表达式如下：
[0097][0098]
其中，代表第k个信源的功率，代表噪声功率。假设所有的信源是等功率的，所有的阵元有相似的噪声功率，则sk(t)和ni(t)分别代表第k个信源和阵列的复高斯白噪声。
[0099]
使用rmse作为阵列天线性能的评价指标，其数学表达式如下：
[0100][0101]
其中，υ为蒙特卡罗次数，d为目标信源数，和αk(m)分别为第m次蒙特卡罗实验第k个信源的参数估计值和参数真实值。
[0102]
图4和图5分别给出了四种嵌套阵列天线在经过互耦补偿后的doa和距离估计的rmse变化趋势，通过对比可证明对于现有经典混合场的嵌套阵列天线，本发明所提方法可通过进行互耦补偿提升阵列天线对doa和距离参数估计的精度。
[0103]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言java和直译式脚本语言javascript等。
[0104]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0105]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0106]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0107]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0108]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，其特征在于，包含以下步骤：根据未知互耦矩阵、近场阵列流型、远场阵列流型、近场信源、远场信源和噪声对阵列天线接收信号进行建模；由单位矩阵i和互耦参数不为1的互耦参数矩阵c共同构建未知互耦矩阵c
e
；当未知互耦存在时，构建导向矢量表达式，且将导向矢量转化为两个子矩阵之和的形式；根据导向矢量构建互耦参数矩阵c，随后根据信号子空间与噪声子空间正交原理将互耦参数估计问题转化为doa和互耦参数的联合优化问题，再通过对doa和互耦参数进行一维搜索，求解doa估计值和互耦参数估计值利用互耦参数估计值构成未知互耦矩阵的估计值对未知互耦矩阵c
e
进行补偿。2.根据权利要求1所述的基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，其特征在于，对阵列天线接收信号建模，建模表达式如公式(1)：x(t)＝c
e
a
ff
s
ff
(t)+c
e
a
nf
s
nf
(t)+n(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，x(t)是阵列天线接收信号，c
e
是未知互耦矩阵，a
nf
是近场阵列流型，a
ff
是远场阵列流型，s
nf
(t)是近场信源，s
ff
(t)是远场信源，n(t)是噪声，t是时间。3.根据权利要求2所述的基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，其特征在于，未知互耦矩阵c
e
的表达式如公式(2)：式中，q是均匀直线子阵传感器总数，t是阵列传感器总数，i是单位矩阵，c是未知互耦矩阵c
e
中互耦参数不为1的矩阵。4.根据权利要求3所述的基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，其特征在于，当未知互耦存在时，导向矢量表达式如公式(3)：a(θ,r,c)＝c
e
a(θ,r)＝q[a(θ,r)]c
ꢀꢀꢀ
(3)式中，θ是波达方向，记为doa，r是距离参数，c是互耦参数，q表示将互耦参数c分离后仅包含导向矢量[a(θ,r)]的新矩阵。5.根据权利要求4所述的基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，其特征在于，设l为互耦参数矩阵c的自由度，将公式(3)中的t
×
l矩阵q[a(θ,r)]拆分成两个子矩阵之和的形式：q[a(θ,r)]＝q[a(θ,r)]1+q[a(θ,r)]2ꢀꢀ
(4)其中，子矩阵q[a(θ,r)]1和q[a(θ,r)]2满足以下条件，f和g分别表示矩阵的行数和列数：
6.根据权利要求5所述的基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，其特征在于，由信号子空间与噪声子空间正交原理，得知：式中，u
n
是噪声子空间，[
·
]
h
是矩阵的共轭转置；将公式(3)、公式(4)代入公式(7)，互耦参数矩阵c表示为：7.根据权利要求6所述的基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，其特征在于，根据信号子空间与噪声子空间正交原理将互耦参数估计问题转化为doa和互耦参数的联合优化问题，数学表达式如下：式中，分别表示doa估计值和互耦参数估计值，arg min f(x)表示当f(x)取最小值时，x的取值；通过对doa和互耦参数进行一维搜索，求解doa估计值和互耦参数估计值和互耦参数估计值和互耦参数估计值式中，det表示求一个矩阵的行列式，arg max f(x)表示当f(x)取最大值时，x的取值，e
min
表示求矩阵最小特征值对应特征矢量的算子。8.根据权利要求7所述的基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法，其特征在于，利用互耦参数估计值构成未知互耦矩阵的估计值对未知互耦矩阵c
e
进行补偿，阵列天线经过互耦补偿后，接收信号的表达式如下：9.一种基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除装置，其特征在于，包括：接收信号建模模块，用于根据未知互耦矩阵、近场阵列流型、远场阵列流型、近场信源、远场信源和噪声对阵列天线接收信号进行建模；未知互耦矩阵构建模块，用于由单位矩阵i和互耦参数不为1的互耦参数矩阵c共同构建未知互耦矩阵c
e
；导向矢量模块，用于当未知互耦存在时，构建导向矢量表达式，且将导向矢量转化为两个子矩阵之和的形式；doa和互耦参数估计模块，用于根据导向矢量构建互耦参数矩阵c，随后根据信号子空间与噪声子空间正交原理将互耦参数估计问题转化为doa和互耦参数的联合优化问题，再通过对doa和互耦参数进行一维搜索，求解doa估计值和互耦参数估计值未知互耦矩阵补偿模块，用于利用互耦参数估计值构成未知互耦矩阵的估计值对
未知互耦矩阵c
e
进行补偿。

技术总结
本发明属于阵列天线信号处理技术领域，特别涉及一种基于混合远近场信源的嵌套阵列天线互耦消除方法及装置，该方法包括根据未知互耦矩阵、近场阵列流型、远场阵列流型、近场信源、远场信源和噪声对阵列天线接收信号进行建模；由单位矩阵I和互耦参数不为1的互耦参数矩阵C共同构建未知互耦矩阵C


技术研发人员：巴斌 杜博 崔维嘉 王建辉 菅春晓 张晋 许海韵 陈阳阳 龚虎成 曲晶
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/7/22