1.本发明属于阵列天线布局的领域，具体的为一种具有多层子阵的互质阵列天线结构。
背景技术：2.传统天线布局受到半波长的限制，即阵元间距要小于半波长，因此，在天线数一定的情况下，天线的孔径受到了限制。同时，小阵元间还会导致较强的天线单元间的互耦效应。另外，传统波达方向估计算法可识别的目标数，受限于物理阵列中的天线阵元数目，即自由度。当目标数超过天线阵元数时，很多算法将会失效。
3.当前，一种被称为互质阵的天线结构布局受到了广泛的关注，其阵元间距突破了半波长的限制，使得天线孔径得到极大的扩展、减弱互耦效应并且能获得很好的角度估计性能的提升，以及可识别目标数的增加。但是已有互质阵产生的差共阵(difference co-array)，即虚拟阵，存在的洞导致可获得的自由度损失很多。
技术实现要素：4.发明目的：针对现有技术中的不足，提供一种具有多层子阵的互质阵列天线(coprime array with multi-layer subarrays)结构，该天线结构由四个稀疏子阵构成，在总的天线数相同的情况，能够获得比已有稀疏阵列更多的自由度、能够更有效地减弱互耦效应和能够获得更好的角度估计性能和空间分辨率。本发明的camls天线结构具有简单的布局方式、更高的自由度和更好的角度估计性能的优势，可以应用于无线通信、声呐、定位等领域中。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种具有多层子阵的互质阵列天线结构，其特征在于：天线结构由四个稀疏子阵组成，阵元总数为t，天线数为n、k(m-1)、和m，其中整数k》0,m和n为互质整数，2《m《n。
7.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
8.进一步地，天线结构中的其阵元位置为其中表示阵元位置，表示天线结构中所有阵元位置的集合，d＜λ/2为单位阵元间距，λ为入射信号波长，信号波长，信号波长，分别表示阵元数为n、k(m-1)、和m的稀疏子阵的阵元位置集合。
9.进一步地，阵元数为n的稀疏子阵的阵元间距为mλ/2，阵元位置集合为其中《a,b》表示大于等于a且小于等于b的整数值。
10.进一步地，阵元数为k(m-1)的稀疏子阵包含k个互质子阵层，每个互质子阵层包含(m-1)个阵元，位置集合为整个稀疏子阵的位置集合为，其中《a,b》表示大于等于a且小于等于b的整数值。
11.进一步地，阵元数为的稀疏子阵的阵元间距为nλ/2，阵元位置集合为其中《a,b》表示大于等于a且小于等于b的整数值。
12.进一步地，阵元数为的稀疏子阵的阵元间距为(n-m)λ/2，阵元位置集合为其中《a,b》表示大于等于a且小于等于b的整数值。
13.本发明的有益效果是：
14.1、构造了一种具有多层子阵的互质阵列天线结构，互质阵差共阵中具有很少孔洞，从而获得更高的自由度；
15.2、减少了小阵元间距的天线单元数量，从而减弱了天线阵列中的互耦效应；
16.3、只需要设计构造四个子阵，具有天线布局灵活且简单的特点；
17.4、该天线布局能获得更好的角度估计性能和空间分辨率。
附图说明
18.图1为本发明提供的一种具有多层子阵的互质阵列天线结构；
19.图2为本发明所述天线结构与传统天线结构在不同互耦强度下的性能比较；
20.图3为本发明所述天线结构与传统天线结构在不同信噪比下的性能比较；
21.图4为本发明所述天线结构与传统天线结构在不同快拍数下的性能比较。
具体实施方式
22.下面结合附图以及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
23.本发明公开了一种具有多层子阵的互质阵列天线结构，该结构由四个稀疏子阵组成，阵元总数为t，天线数分别为n、k(m-1)、和m，其中，其中整数k》0,m和n为互质整数，2《m《n。camls天线结构中的阵元位置为数，2《m《n。camls天线结构中的阵元位置为数，2《m《n。camls天线结构中的阵元位置为d＜λ/2为单位阵元间距，λ为入射信号波长。
24.表1给出了本专利所需相关稀疏阵列结构的参数，包括阵列布局、dof、udof、孔洞-孔径率、权函数w(1),w(2),w(3)和互藕泄露率，其中epca表示扩展填充互质阵(extended padded coprime array)、tca表示去冗余互质阵(thinned coprimearray)、aca为增强互质阵(augmented coprime array)、cca为完备互质阵(complementary coprime array)、misc为最大间距限制阵(maximum inter-element spacing constraint)、ana-2为2号增强嵌套
阵(2 augmented coprime array)、sna为超级嵌套阵(super nested array)、na为二级嵌套阵(nested array)，表1：
[0025][0026]
如图1所示的是一个20阵元camls天线结构的例子，其中m＝3，n＝8和k＝4。假设k个角度为θk(k∈《1,k》)的单色信号入射到互质阵列上，其中该线阵的阵元位置集合为d
t
表示第t个天线到选定参考点直接的距离，单位长度为d＝λ/2，其中λ为信号波长。接收信号为
[0027]
x(l)＝as(l)+n(l)
[0028]
其中为信号矢量、为方向矩阵、l∈《1,l》为快拍变量、l为快拍数n(l)为均值为0，协方差矩阵为加性高斯白噪声，其中为噪声功率。方向矩阵其中a(νk)为导向矢量
[0029][0030]
其中k∈《1,k》。
[0031]
信号协方差矩阵为
[0032][0033]
其中源信号矩阵为第k个信源的功率。
[0034]
在稀疏阵列信号处理中，通过差共阵将物理域转换为虚拟域。
[0035]
对于阵元位置集合为的物理阵列，差共阵的定义是：
[0036][0037]
对于一个物理阵列，自由度(dof)被定义为的基的数量，连续自由度(uniform dof)被定义为中连续部分的基的数量。
[0038]
对r
x
进行矢量化操作从而构建虚拟域的等效接收信号
[0039][0040]
其中b＝[b(ν1),b(ν2),
…
,b(νk)]，和通
过提取虚拟域等效接收信号的连续部分，doa可以被空间平滑esprit(spatial smoothing esprit，ss-esprit)算法估计得到。在真实场景中，r
x
由l个快拍近似计算获得，即
[0041][0042]
本专利给出的camls天线结构的连续自由度为2m(n-1)+4km+2k(m-1)n+2n+2m-1,自由度为2m(n-1)+4km+2k(m-1)n+2n+2m+(n-m-1)(m-1)-1。
[0043]
一个线性阵列的互耦矩阵近似为一个b带toeplitz矩阵
[0044][0045]
其中[c]
m,n
表示互耦矩阵c的第m行n列元素，dm,dn是归一化后的天线单元位置，c0＝1＞|c1|＞|c2|＞
…
＞|cb|＞0。具体地，互耦系数可以通过cs＝c1e-j(s-1)/8
/s计算得到。当考虑互耦效应时，接收信号可以重构为
[0046][0047]
互耦泄露与天线单元之间的距离有相关性，本专利引入一个权重函数更直观地展示物理阵列中的互耦。首先引入一个由阵元间距为s的全部阵元对构成的集合
[0048][0049]
对于阵元位置集合为的物理阵列，权重函数定义为
[0050][0051]
其中w(s)表示阵元间距为s的阵元对的数量。
[0052]
本专利给出的camls天线结构中，
[0053]
w(1)＝1,w(2)＝3,w(3)＝n-1
[0054]
物理阵列的互耦泄露定义为
[0055][0056]
此处给出了表1中给出的阵列结构在互耦效应情况下的doa估计值性能与c1的幅值之间的关系，即c1＝|c1|e
jπ/3
，其中阵元数为20。相比较于嵌套阵列，即na、sna、ana-2，以及其它互质阵列，即epca、tca、aca、cca，本专利提出的camls具有更多的自由度以及连续自由度。misc和mra阵列由于具有阵元间距较小的子阵，其差共阵具有无孔洞特性，因此具有更多的自由度，但同时导致了较大的互藕泄露。而本专利提出的camls虽然获得的差共阵小于misc和mra阵列，但是可以在|c1|＞0.05时获得比mra和misc阵列更加精确的doa估计值，这得益于减少小阵元间距λ/2、2λ/2和3λ/2对减弱互藕效应方面的有效性。
[0057]
另外，给出了不同稀疏阵在c1＝0.3e
jπ/3
时得到的均方根误差(rmse)结果。图2给出了rmse与snr之间的关系，其中l＝1000，22个信源均匀分布在-65
°
～65
°
，仿真次数为2000。从图二可以看出，camls可以获得比其它稀疏阵列更好的doa估计性能，这也证明了本专利对稀疏阵在差共阵和权重函数方面的改进的有效性。图3给出了rmse与快拍数之间的关系，其中snr＝5db，仿真结果同样展示出camls由于在连续自由度和互耦效应方面的改进，可以
获得比其它稀疏阵列更好的doa估计值。
[0058]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
技术特征：1.一种具有多层子阵的互质阵列天线结构，其特征在于：所述天线结构由四个稀疏子阵组成，总阵元数为t，各个所述稀疏子阵的阵元数分别为n、k(m-1)、和m；所述天线结构阵元的位置结构阵元的位置表示所述天线结构中所有阵元位置的集合，d＜λ/2为单位阵元间距，λ为入射信号波长，k为互质子阵层个数，k>0,m和n为互质整数，且2<m<n；m<n；m<n；分别表示阵元数为n、k(m-1)、和m的稀疏子阵的阵元位置集合，其中<a,b>表示大于等于a且小于等于b的整数值；阵元数为n的稀疏子阵的阵元间距为mλ/2，阵元位置集合为阵元数为k(m-1)的稀疏子阵包含k个互质子阵层，每个互质子阵层包含(m-1)个阵元，第i个互质子阵层的位置集合为整个稀疏子阵的位置集合为：阵元数为的稀疏子阵的阵元间距为nλ/2，阵元位置集合为阵元数为m的稀疏子阵的阵元间距为(n-m)λ/2，阵元位置集合为2.如权利要求1所述的一种具有多层子阵的互质阵列天线结构，其特征在于：所述天线结构的连续自由度为：2m(n-1)+4km+2k(m-1)n+2n+2m-1,自由度为：2m(n-1)+4km+2k(m-1)n+2n+2m+(n-m-1)(m-1)-1。
技术总结本发明公开了一种具有多层子阵的互质阵列天线结构，由四个稀疏子阵组成，阵元总数为T，天线数为N、k(M-1)、和M，其中整数k>0,M和N为互质整数，2<M<N。CAMLS天线结构中的阵元位置为其中其中且且本发明的天线结构扩展了天线孔径，增加了自由度，减弱了互藕效应，天线阵列布局简单，且能获得高于已有稀疏阵列的自由度。由CAMLS产生的虚拟阵列为单位阵元间距的均匀阵列，可以直接结合空间平滑方法应用经典的波达角估计算法，且不会产生角度模糊问题。且不会产生角度模糊问题。且不会产生角度模糊问题。
技术研发人员：赖欣 张小飞 李建峰
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2022.07.19
技术公布日：2022/11/1
