技术领域
[0001] 本
发明涉及阵列
信号处理技术领域，特别是一种基于仿生技术的小尺度阵列测向方法。
背景技术
[0002] 随着科学技术的发展，阵列
信号处理技术一直是学术界研究的重点，并且研究成果在雷达、声纳、无线通信、天文、
生物医学、地质勘测和导航等诸多领域中得到了广泛的应用。从阵列信号处理领域中衍生出的DOA估计技术在军、民领域都发挥着重要作用。
[0003] DOA估计方法主要是通过按一定规律组合的阵列天线接收来波信号，根据不同阵元接收信号到参考阵元间的时延估计出来波的方位。该方法一般假设接收信号由点目标
辐射而来。经过研究者们的共同努
力，在过去的数十年，点目标DOA估计方法得到了飞速的发展，己发展了众多的高分辨估计
算法。例如基于阵列观测数据或者协方差矩阵特征结构类方法，包括MUSIC、ESPRIT、MVDR等，基于统计理论类估计方法，包括MLE、EM、RELAX、MODE、 MAP等，还有时延估计方法、高阶统计量估计方法等。但不管采用何种估计方法，阵列天线相邻阵元间距均需满足半
波长布阵原理，且为了获得较高的阵增益和
角度
分辨率，一般阵元个数较多，阵列尺寸十分庞大，不利于安装和布放、设备机动性和隐蔽性差。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种基于仿生技术的小尺度阵列测向方法。
[0005] 本发明采用的技术方案如下：一种基于仿生技术的小尺度阵列测向方法，包括以下过程：
[0006] 步骤1，设定阵元数、阵元间距、布阵规律，获得
基础阵型；
[0007] 步骤2，设置耦合单元具有多路
输入信号，将耦合单元等效为机械模型，再转化为
电路模型，得到耦合电路，通过仿真确定耦合电路的参数；
[0008] 步骤3，将阵元
输出信号输入耦合电路，采用耦合电路对基础阵型的多路信号的幅相差异进行放大；
[0009] 步骤4，阵元输出信号经过耦合结构后，由AD
采样转化为
数字信号，并上传到处理器，在处理器中完成阵列信号处理，估计出目标方位。
[0010] 进一步的，所述步骤1中，所述基础阵型中阵元的坐标表示为：
[0011] xij＝i*d*cos(π/10+(j-1)*2*π/5)
[0012] yij＝i*d*sin(π/10+(j-1)*2*π/5)
[0013] 其中i＝1、2…n；j＝1、2…5；d为每条臂上相邻阵元间距，xij表示第j条臂上的第i个阵元的横坐标；yij表示第j条臂上的第i个阵元的纵坐标。
[0014] 进一步的，所述基础阵型中阵元和参考之间的最大间距不超过半波长。
[0015] 进一步的，所述步骤3的具体过程为：步骤31，建立奥米亚寄生蝇听觉系统耦合结构的物理模型，将奥米亚寄生蝇两
耳等效为两端
钢梁连接的两个接收器，每个接收器由集中
质量、
弹簧和阻尼构成，两端钢梁利用弹簧和阻尼进行连接、实现耦合；步骤32，根据
牛顿第二定律，获得物理模型的运动方程，并通过机电等效转化可得到该耦合结构的电路模型；步骤33，通过仿真确定电路模型的参数。
[0016] 进一步的，所述耦合结构的电路包括M路信号支路和1路耦合支路，所述M为阵元数。
[0017] 进一步的，所述耦合结构的电路中，每一路支路包括
串联的电感、电容和
电阻，M个阵列输出M路信号，将此M路信号作为信号支路的输入，取信号支路上的
电流作为输出信号，得到M路输出信号。
[0018] 进一步的，所述步骤4的具体过程为：
[0019] 步骤41，根据阵元坐标计算各阵元与参考阵元的时延τ＝[τ1 τ2 τ3…τM]T，其中τl＝(xl*cos(θ)+yl*sin(θ))/C，θ为信号来波方向，C为声在
水下的传播速度，l＝1,2…M，为阵元编号；得到阵列输出信号为
[0020] S＝[s1 s2 s3…sM]T
[0021] 其中，sl＝g0*exp(-j2πf0τl)，g0为来波的复振幅，f0为阵元接收信号
频率；
[0022] 步骤42，按照步骤41的方法生成阵列输出信号并作为耦合电路模型的输入信号，取各支路电流I＝[i1 i2 i3…iM]T为输出信号，采用simulink工具进行电路仿真；
[0023] 步骤43，阵列输出信号S流入耦合电路，耦合电路输出为
[0024] I＝A-1βθ*g0
[0025] 其中：βθ＝[exp(-j2πf0τ1) exp(-j2πf0τ2)…exp(-j2πf0τM)]T，A为耦合电路输出信号与输入信号关系矩阵；
[0026] 加入耦合电路后，阵列导向矢量为
[0027] α＝(A-1β)-1
[0028] β＝[exp(-j2πf0γ1) exp(-j2πf0γ2)…exp(-j2πf0γM)]T
[0029] γl＝(xl*cos(δ)+yl*sin(δ))/C
[0030] δ＝-π:π/180:π
[0031] 信号I的协方差矩阵为
[0032] R＝I*IT
[0033] 根据导向矢量和信号协方差矩阵即可求得阵列合成功率为:
[0034] P＝αTRα
[0035] 合成功率最大的方位即为来波方位。
[0036] 与
现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：采用本发明的技术方案，将奥米亚棕蝇听觉系统耦合结构融入到常规的阵列测向系统中，并对耦合结构做适应性改进，对多路信号进行处理。与常规阵列测向相比，本发明在
信噪比较高条件下可实现小尺度基阵的高
精度测向，大大缩小了基阵尺寸，提高了阵列测向系统的安装、布放的灵活性，以及机动性和隐蔽性，对阵列测向系统的小型化具有重要的指导意义。
附图说明
[0037] 图1是本发明设定的基础阵型结构示意图。
[0038] 图2是奥米亚寄生蝇耦合结构机械模型示意图。
[0039] 图3是奥米亚寄生蝇耦合结构电路模型示意图。
[0040] 图4是本发明改进的奥米亚寄生蝇耦合结构电路模型示意图。
[0041] 图5是入射方位分别为20°时，有耦合电路和无耦合电路DOA估计结果示意图。
[0042] 图6是入射方位分别为160°时，有耦合电路和无耦合电路DOA估计结果示意图。
[0043] 图7从上至下分别为输入信号、输出信号以及阵列合成信号，经过本发明仿真后信噪比有恶化效果示意图。
[0044] 图8为本发明目标信号从不同方位入射，加入耦合电路后的DOA估计结果示意图。
具体实施方式
[0045] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0046] 一种基于仿生技术的小尺度阵列测向方发法，包括以下过程：
[0047] (1)设定阵元数、阵元间距、布阵规律，获得基础阵型；
[0048] 如图1所示，本
实施例选择五星阵为基本阵形，系统可实现360度全方位测向。阵元数 M，每条臂上相邻阵元间距为d；各阵元编号如图所示，根据布阵规律和阵元间距即可写出各基础阵元的坐标为：
[0049] xij＝i*d*cos(π/10+(j-1)*2*π/5)
[0050] yij＝i*d*sin(π/10+(j-1)*2*π/5)
[0051] 其中i＝1、2…n；j＝1、2…5；d为每条臂上相邻阵元间距，xij表示第j条臂上的第i个阵元的横坐标；yij表示第j条臂上的第i个阵元的纵坐标。
[0052] 为防止
相位差过大导致相位缠绕，故而要求阵元和参考之间的最大间距不超过半波长。
[0053] (2)设置耦合单元具有多路输入信号，将耦合单元等效为机械模型，再转化为电路模型，得到耦合电路，通过仿真确定耦合电路的参数
[0054] 采用耦合结构对基础阵型的多路信号的幅相差异进行放大，利用各路信号与参考信号的
相位差实现阵列合成；常规的基于奥米亚棕蝇的耦合单元均是针对两路信号的幅相差异放大，但是基阵往往包含多路信号，将耦合结构设置为针对多路信号的结构，使之可以实现多路相位差同时放大。
[0055] 耦合结构的设置过程：
[0056] 奥米亚寄生蝇听觉系统主要由鼓膜、鼓膜间桥、与鼓膜相连的表皮内突、球状听神经及听觉器官组成，将鼓膜、鼓膜间桥、与鼓膜相连的表皮内突、球状听神经及听觉器官的质量考虑成两个集中质量m1和m2，并用弹簧和阻尼与梁相连，将寄生蝇听觉系统与鼓膜相连的前腹片视为两段刚梁，中间用具有
刚度和阻尼的鼓膜膜间桥相连，可得到奥米亚寄生蝇听觉系统耦合结构的物理模型。如图2所示该物理模型的机械结构，将奥米亚棕蝇的两耳看成由两段钢梁连接的2个接收器，每个接收器由集中质量m1和m2、弹簧和阻尼构成，分别表示为(m1、k1、c1)和(m2、k2、c2)，两段钢梁利用弹簧k3和阻尼c3进行连接、实现耦合。
[0057] 根据牛顿第二定律，可得到该机械模型的运动方程，对通过机电等效转化可得到该耦合结构的电路模型如图3所示，该电路模型为一个RLC振荡电路，主要参数包括(R1、C1、 L1)和(R2、C2、L2)以及(R3、C3)。
[0058] 因为本实施例对耦合电路进行改进，设置为对多路信号的处理，如图4所示，本实施例的耦合电路有M组信号支路参数和1组耦合支路参数，通过Matlab仿真确定电路参数。图4中的耦合结构的电路中，支路包括串联的电感(L1，L2,…LM)、电容(C1，C2,…CM) 和电阻(R1，R2,…RM)，M路支路的输入信号对应M个阵元的输出信号S1、S2…SM，具有电流(I1，I2…IM)，每一路信号支路到耦合支路构成回路(耦合支路具有电阻RO和电容CO)，得到M路输出信号。
[0059] 根据基尔霍夫电流定律和基尔霍夫
电压定律，很容易得出以下方程组：
[0060]
[0061]
[0062]
[0063]
[0064] 另：
[0065] 故可得：
[0066] S1＝(a1+b)·I1+b·(I2+I3+…IM)
[0067] S2＝(a2+b)·I2+b·(I1+I3+…IM)
[0068]
[0069] SM＝(aM+b)·IM+b·(I1+I2+…IM-1)
[0070] 写成矩阵的形势可得：I＝A-1·S
[0071] 其中，I＝[I1 I2 I3…In]T，S＝[S1 S2 S3…SM]T
[0072]
[0073] (3)将阵元输出信号输入耦合电路，采用耦合电路对基础阵型的多路信号的幅相差异进行放大；对耦合电路进行适应性改进之后，可以对多路输入信号进行处理，使之可以实现多路信号相对于同一参考信号相位差同时放大，且放大倍数控制在一定范围内，防止由于放大倍数过大导致相位缠绕。
[0074] (4)阵元输出信号经过耦合结构后，由AD采样转化为数字信号，并上传到处理器，在处理器中完成阵列信号处理，估计出目标方位。
[0075] ①假设信号来波方向为θ，以阵元1为参考阵元，根据阵元坐标计算各阵元与参考阵元的时延τ＝[τ1 τ2 τ3…τM]T，其中τl＝(xl*cos(θ)+yl*sin(θ))/C，C为声音在水下的传播速度，l＝1,2…M为阵元编号；得到阵列输出信号为
[0076] S＝[s1 s2 s3…sM]T
[0077] 其中，sl＝g0*exp(-j2πf0τl)，g0为来波的复振幅，f0为阵元接收信号的频率；
[0078] ②按照①的方法生成阵列输出信号并作为耦合电路模型的输入信号，取各信号支路电流I＝[i1 i2 i3…iM]T为输出信号，采用simulink工具进行电路仿真；
[0079] 步骤43，阵列输出信号S流入耦合电路，耦合电路输出为
[0080] I＝A-1βθ*g0
[0081] 其中：βθ＝[exp(-j2πf0τ1) exp(-j2πf0τ2)…exp(-j2πf0τM)]T；
[0082] 加入耦合电路后，阵列导向矢量为
[0083] α＝(A-1β)-1
[0084] β＝[exp(-j2πf0γ1) exp(-j2πf0γ2)…exp(-j2πf0γM)]T
[0085] γl＝(xl*cos(δ)+yl*sin(δ))/C
[0086] δ＝-π:π/180:π
[0087] 信号I的协方差矩阵为
[0088] R＝I*IT
[0089] 根据导向矢量和信号协方差矩阵即可求得阵列合成功率为:
[0090] P＝αTRα
[0091] 合成功率最大的方位即为来波方位。
[0092] 设置仿真条件为频率f＝1000Hz，阵元间距d＝0.01m，声速C＝1500m/s，经过本发明的技术方案后，输出相位差经过耦合电路后得到放大。并且如图5和6所示，在入射方位分别为20°和160°时，有耦合电路和无耦合电路DOA估计结果；图5中入射方位为20°，图6为入射方位为160°，虚线为无耦合的情况，实现为耦合情况；可以看出：两个角度下，加入耦合电路后，波束均明显变窄，且后瓣变低。图7从上至下分别为输入信号、输出信号以及阵列合成信号，放真结果表明，耦合电路对信噪比有恶化效果；图8为不同频率的目标信号从不同方位入射，加入耦合电路后的DOA估计结果，DOA估计结果与理论基本一致，说明此方法具有较好的频率鲁棒性。
[0093] 本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本
说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明
权利要求保护的范围。
