基于均匀同心圆阵列的近场宽带信号方向角估计.docx

简介：
本文研究了利用均匀同心圆阵列对近场宽带信号进行高精度方向角估计的方法，探讨了其在复杂电磁环境中的应用潜力。 本段落介绍了一种基于均匀同心圆阵列的近场宽带信号DOA估计方法。传统波束形成技术通常假设信源位于远场，并且信号以平面波的形式入射到阵列中，但在实际应用中，许多情况下的信号源处于近场范围内，这会导致使用平面波假设的传统方法性能下降。 为了应对这一问题，基于均匀同心圆阵列的FI阵列能够较好地解决近场信号带来的畸变。这是因为该阵列的不同环路在频率响应上可以互相补偿。本段落提出的算法利用了UCCA（Uniform Circular Coaxial Array）相位模式输出，并通过引入近场补偿因子来消除由于信号位于近场时产生的失真现象，同时使用频率补偿滤波器确保感兴趣频带内的阵列响应具有接近于恒定的频率特性。 这些关键参数——即近场补偿因子和频率补偿滤波器均可通过对凸优化问题求解获得。该方法通过预先设计好上述两个因素，在线运算复杂度得到了大幅降低，同时实验结果表明其在DOA估计性能上有显著提升。 具体来说，每个圆环上均匀分布有K个天线，相邻圆环之间的间隔为λmin/4（其中λmin是宽带信号的最小波长）。设同心圆中心作为坐标原点，则第(k, p)个天线的位置可以表示为{Rpcosφk，Rpsinφk}。这里，Rp代表第p个圆环的半径，并且Rp=R1+(n-1)λmin/4；而φk=2πk/K是第k个天线方位角。 当信号源与阵列处于同一平面时，该算法通过如下公式计算每个天线对应的输出： vk,p(ω,r,φ)=S(ω)Rp2+r2−2rRpcos(φ−φk)√⋅e−jωαλminRp2+r2−2rRpcos(φ−φk) 其中，参数包括：数字域频率 ω=2πf/fS；采样倍数 α=fS/fmax（这里 fS为采样频率）以及 φ 和 r 分别代表信源所在方位角和距离阵列中心的距离。此外 S(ω) 作为宽带信号的频响函数，需要特别注意的是，在某些特定条件下利用菲涅尔近似原理可以简化计算过程。 基于均匀同心圆阵列的DOA估计方法在雷达、声呐系统、麦克风阵列及无线通信等领域具有广泛的应用前景。