一种基于旋转稀疏天线阵列的解栅瓣模糊方法与流程

本发明主要涉及信号处理，特别是涉及一种基于旋转稀疏天线阵列的解栅瓣模糊方法。

背景技术：

1、在阵列天线信号处理领域，根据瑞利准则，增大天线孔径是提升对目标的测角精度的重要手段。然而，若考虑使用相控阵天线，增大天线孔径意味着增加阵元数量，成本会急剧上升。针对这一问题，传统的手段是采用稀疏阵列。在稀疏阵列中，由于阵元的分布具有稀疏性，阵元间隔较远，从而可以仅用较少数量的阵元构建较大的孔径，在降低成本的同时提升测角精度。但是，稀疏阵列存在栅瓣模糊问题，具体而言是在对稀疏阵列进行信号处理时，会得到大量周期性分布的栅瓣，无法分辨真实目标位于哪个栅瓣中，从而会造成目标测角结果的“模糊”，产生模糊误差。

2、目前已知的消除栅瓣模糊的方法主要通过构建非均匀稀疏阵列，例如随机阵、互质阵、嵌套阵等。上述方法在解栅瓣模糊的同时，会造成平均副瓣水平的抬升，降低目标探测的性能。因此，需要研究新的稀疏阵列解栅瓣模糊方法，且不引入副瓣的抬升。现有技术不能达到上述效果，需要使用本发明提出的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于旋转稀疏天线阵列的解栅瓣模糊方法，本技术实现要素：包括旋转稀疏阵列系统的构建方法和阵列信号处理算法。本发明旨在消除稀疏阵列的栅瓣模糊问题，确定真实目标所处的栅瓣，从而完成解栅瓣模糊。

2、为达到上述目的，本发明提供了一种基于旋转稀疏天线阵列的解栅瓣模糊方法，包括以下步骤：

3、步骤1：构建旋转稀疏天线阵列：构建一个二维的稀疏天线阵列，稀疏天线阵列包含3个以上天线阵元，稀疏天线阵列在二维平面内旋转，旋转轴是以稀疏天线阵列内的1个天线阵元为垂足的垂直于二维平面的垂线；

4、步骤2：稀疏天线阵列信号处理，计算实时方位谱强度：使用数字波束形成算法，根据稀疏天线阵列旋转前后天线阵元接收的信号，分别计算稀疏天线阵列旋转前后的方位谱，旋转前的方位谱为f1，旋转后的方位谱为f2，f1和f2为矩阵；；

5、步骤3：计算方位谱矢量速度场：

6、s1：计算旋转前后方位谱能量分布e1和e2，取绝对值再平方，

7、s2：计算旋转前后方位谱能量和a、方位谱能量差s，

8、s3：计算方位谱速度场幅度vamp，vamp＝s./a，得到一个相同形状的新矩阵；

9、s4：计算方位谱速度场的方向px和py，分别是方位谱能量差s沿矩阵两个维度方向的梯度，[px,py]＝gradient(s)；

10、s5：计算方位谱矢量速度场v，

11、步骤4：测量方位谱矢量速度场奇点位置：

12、s6：计算矢量速度场相位av，av是一个矩阵，av＝arctan(vy./vx)；

13、s7：画出矢量速度场相位av图，找到相位不连续中心，相位不连续中心为矢量速度场奇点位置；

14、步骤5：根据奇点位置，消除栅瓣模糊：找到与步骤4得到的奇点位置重合的栅瓣，即为真实目标所在的栅瓣，由此可以消除栅瓣模糊，实现解模糊。

15、进一步的，步骤1中稀疏天线阵列在二维平面内顺时针旋转。

16、进一步的，步骤1中稀疏天线阵列在二维平面内逆时针旋转。

17、进一步的，步骤1中构建的稀疏天线阵列为基于刚性支撑臂的旋转稀疏阵列，3个以上天线阵元通过刚性支撑臂固定，相邻天线阵元之间沿纵向、横向的距离相等。

18、进一步的，步骤1中构建的稀疏天线阵列为基于无人机集群的旋转稀疏阵列，3个以上天线阵元装载在3架以上旋翼无人机上，相邻天线阵元之间沿纵向、横向的距离相等，其中1架旋翼无人机悬停，其余旋翼无人机同步地围绕悬停的旋翼无人机旋转，旋转过程中保持相对位置不变，实现整个稀疏天线阵列的旋转。

19、进一步的，步骤2中的数字波束形成算法为：

20、s8：设3个以上天线阵元在平面内旋转前的坐标分别为(x1,y1)～(xn,yn)，旋转前接收到的信号分别记为a1～an；

21、s9：设信号的载波波长为λ，记k＝2π/λ，则旋转前的方位谱f1的第m行、第l列的阵元的值f1(m,l)为：其中e表示自然底数；

22、s10：改变m、l的值，重复s9步骤，直到旋转前的方位谱f1矩阵所有元素都计算完毕；

23、s11：设3个以上天线阵元在平面内旋转后的坐标分别为(x1,y1)～(xn,yn)，旋转前接收到的信号分别记为a1～an

24、s12：设信号的载波波长为λ，记k＝2π/λ，则旋转后的方位谱f2的第m行、第l列的阵元的值f2(m,l)为：其中e表示自然底数。

25、有益的效果：

26、本发明提供一种基于旋转稀疏天线阵列的解栅瓣模糊方法，通过对稀疏阵列进行空间旋转，构建旋转稀疏阵列系统，然后基于旋转前后的阵列信号，提出新型阵列信号处理算法，完成解栅瓣模糊。本发明适用于传统的周期排布的稀疏阵列，无需构建满足特殊阵元分布要求的随机阵、质数阵、嵌套阵等，条件要求少，应用范围更广；本发明提供的方法也不会造成阵列的平均副瓣水平的抬升；本发明构建的旋转稀疏阵列最少只需要3个阵元即可实现目标的无模糊精确测向，成本低。

技术特征：

1.一种基于旋转稀疏天线阵列的解栅瓣模糊方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所示的基于旋转稀疏天线阵列的解栅瓣模糊方法，其特征在于，步骤1中稀疏天线阵列在二维平面内顺时针旋转。

3.根据权利要求1所示的基于旋转稀疏天线阵列的解栅瓣模糊方法，其特征在于，步骤1中稀疏天线阵列在二维平面内逆时针旋转。

4.根据权利要求1所示的基于旋转稀疏天线阵列的解栅瓣模糊方法，其特征在于，步骤1中构建的稀疏天线阵列为基于刚性支撑臂的旋转稀疏阵列，3个以上天线阵元通过刚性支撑臂固定，相邻天线阵元之间沿纵向、横向的距离相等。

5.根据权利要求1所示的基于旋转稀疏天线阵列的解栅瓣模糊方法，其特征在于，步骤1中构建的稀疏天线阵列为基于无人机集群的旋转稀疏阵列，3个以上天线阵元装载在3架以上旋翼无人机上，相邻天线阵元之间沿纵向、横向的距离相等，其中1架旋翼无人机悬停，其余旋翼无人机同步地围绕悬停的旋翼无人机旋转，旋转过程中保持相对位置不变，实现整个稀疏天线阵列的旋转。

6.根据权利要求1所示的基于旋转稀疏天线阵列的解栅瓣模糊方法，其特征在于，步骤2中的数字波束形成算法为：

技术总结本发明属于信号处理技术领域，公开了一种基于旋转稀疏天线阵列的解栅瓣模糊方法。该解栅瓣模糊方法包括构建旋转稀疏天线阵列；稀疏天线阵列信号处理，计算实时方位谱强度；计算方位谱矢量速度场；测量矢量速度场奇点位置；根据奇点位置，消除栅瓣模糊。本发明能够消除稀疏阵列的栅瓣模糊问题，确定真实目标所处的栅瓣，从而完成解栅瓣模糊。技术研发人员：李世康,张蒙,许先哲,陈亚伟,王亚峰,程强,夏凌昊受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第十四研究所技术研发日：技术公布日：2024/12/2