共形天线阵动态子阵划分方法及波达方向估计方法
【专利摘要】本发明公开一种共形天线阵动态子阵划分方法及波达方向估计方法，先确定k个初始聚类中心；根据各阵元与这些聚类中心的相似度（距离），分别将他们分配给与其最相似的子阵聚类（聚类中心所代表的）中。然后再计算每个新聚类的聚类中心（该聚类中心所有对象的均值）。不断重复这个过程直到标准测度函数开始收敛为止。本方法解决了天线载体在DOA估计中会发生转动的问题。
【专利说明】共形天线阵动态子阵划分方法及波达方向估计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于阵列信号处理领域，具体涉及一种共形天线阵动态子阵划分方法及波达方向估计方法。
【背景技术】
[0002]阵列信号处理将一组传感器按一定分布方式布置在空间不同位置上，形成传感器阵列，用传感器阵列来接收空间目标信号，并对接收到的信号进行处理。它作为信号处理的一个重要分支，在通信、雷达、声纳、地震勘探和射电天文等领域内获得了广泛应用和迅速发展。自适应空域滤波和空间谱估计是阵列信号处理最主要的两个研究方向，其中空间谱估计，又称为波达方向(Direction Of Arrival, D0A)估计,是指对空间信号波达方向分布进行的超分辨估计，其主要目的是估计信号的空域参数和信源位置。基于共形天线的DOA估计研究是信号处理和电磁场与微波技术学科的交叉结合，是一门新兴技术，也是未来提高通讯性能的主要方法之一。
[0003]共形天线是一种和物体外形保持一致的天线，它的应用可以在保证天线性能的条件下简化安装，节省空间，最大限度地减少对天线阵载体空气动力学性能的影响，因此关于共形天线阵的研究近年来日益得到关注。由于共形天线一般安装在曲面上，载体的曲率变化和遮挡效应会使共形天线阵在扫描时，阵列单元难以保持相同的方向图形状，甚至让部分阵元接收不到某一方向的入射信号。然而，目前大多数高性能的谱估计算法，如MUSIC类算法、ESPRIT类算法，都假设阵列导向矢量完整(即所有阵元都能接收到某个入射信号)，所以，经典的DOA估计方法不能直接应用在共形阵列上。
[0004]针对上述问题，国内外学者提出了多种解决方案。首先是杨鹏等人在“MUSIC算法在柱面共形天线阵DOA估计中的应用研究”一文中提出将整个阵列进行子阵划分，克服圆柱体遮挡效应对MUSIC算法估计性能的影响，成功的在柱面共形阵上实现了信号的DOA估计。与子阵分割MUSIC算法进行对比，杨永建等人的“基于MUSIC算法的圆柱共形阵DOA估计”一文在考虑载体遮挡效应的同时，结合阵元的方向性，通过对导向矢量进行重构，解决了导向矢量与噪声子空间不完全正交这一问题。可这些工作均以天线载体与入射信源保持相对静止为前提条件，在实际工程应用中，如飞机、气球等空中平台的共形天线阵列，由于探测需要或者外力干扰等因素，天线载体很难一直固定在同一位置，此时上述方法很难达到预期效果。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的是天线载体在波达方向估计时发生转动的问题，而提供一种共形天线阵动态子阵划分方法及波达方向估计方法。
[0006]为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的:
[0007]—种共形天线阵动态子阵划分方法，包括如下步骤:
[0008]步骤1，根据共形天线载体的形状特点和工程应用要求，将该共形天线载体所覆盖的目标空域分为k块聚类区；
[0009]步骤2，选择每块聚类区的共形载体表面中心作为该块聚类区的初始聚类中心；
[0010]步骤3，检测共形天线载体是否发转动，若转动，则根据共形天线载体的转动情况对共形天线载体表面上的所有阵元进行实时定位；若不转动，继续用前面时刻的子阵划分状态；
[0011]步骤4，计算每个阵元到各个虚拟聚类中心的距离，并把阵元分配到距离最近的虚拟聚类中心所代表的子阵聚类中；
[0012]步骤5，所有阵元分配完成后，将每个子阵聚类中的所有阵元的坐标之和除以阵元数以获得每个子阵聚类的几何聚类中心；
[0013]步骤6，计算每个阵元到各个几何聚类中心的距离，并把阵元分配到距离最近的几何聚类中心所代表的子阵聚类中；
[0014]步骤7，重新划分之后，若步骤6所得子阵聚类划分结果的标准测度函数
【权利要求】
1.共形天线阵动态子阵划分方法，其特征是，包括如下步骤: 步骤1，根据共形天线载体的形状特点和工程应用要求，将该共形天线载体所覆盖的目标空域分为k块聚类区； 步骤2，选择每块聚类区的共形载体表面中心作为该块聚类区的初始聚类中心； 步骤3，检测共形天线载体是否发转动，若转动，则根据共形天线载体的转动情况对共形天线载体表面上的所有阵元进行实时定位；若不转动，继续用前面时刻的子阵划分状态； 步骤4，计算每个阵元到各个虚拟聚类中心的距离，并把阵元分配到距离最近的虚拟聚类中心所代表的子阵聚类中； 步骤5，所有阵元分配完成后，将每个子阵聚类中的所有阵元的坐标之和除以阵元数以获得每个子阵聚类的几何聚类中心； 步骤6，计算每个阵元到各个几何聚类中心的距离，并把阵元分配到距离最近的几何聚类中心所代表的子阵聚类中； 步骤7，重新划分之后，若步骤6所得子阵聚类划分结果的标准测度函数
2.根据权利要求1所述的共形天线阵动态子阵划分方法，其特征是，在步骤4和6中，若某一阵元与2个或2个以上的聚类中心的距离相等，则把这个阵元同时分配到这些2个或2个以上的聚类中心所代表的聚类中。
3.共形天线阵波达方向估计方法，其特征是，包括如下步骤: 步骤1，根据共形天线载体的形状特点和工程应用要求，将该共形天线载体所覆盖的目标空域分为k块聚类区； 步骤2，选择每块聚类区的共形载体表面中心作为该块聚类区的初始聚类中心； 步骤3，检测共形天线载体是否发转动，若转动，则根据共形天线载体的转动情况对共形天线载体表面上的所有阵元进行实时定位；若不转动，继续用前面时刻的子阵划分状态； 步骤4，计算每个阵元到各个虚拟聚类中心的距离，并把阵元分配到距离最近的虚拟聚类中心所代表的子阵聚类中； 步骤5，所有阵元分配完成后，将每个子阵聚类中的所有阵元的坐标之和除以阵元数以获得每个子阵聚类的几何聚类中心； 步骤6，计算每个阵元到各个几何聚类中心的距离，并把阵元分配到距离最近的几何聚类中心所代表的子阵聚类中； 步骤7，重新划分之后，若步骤6所得子阵聚类划分结果的标准测度函数
4.根据权利要求3所述的共形天线阵波达方向估计方法，其特征是，上述步骤8具体为: 步骤8.1，在同一个坐标系中依据X = A((j),0)S + N建立各子阵聚类的接收数据模型；上式中，X代表共形阵列天线的接收数据矢量，S代表信号矢量，N代表噪声矢量，Α(φ,θ)代表阵列导向矢量矩阵，由2(φ,為)(/ = ],2，…，《)构成，蝴;為)表示第i个信号从方向(φ,,θ,)入射至共形阵列的导向矢量，Φρ我分别为第i个入射信号的方位角和俯仰角，K为入射信源个数，Α(φ，a) = [ε(Φ,,O1),3(φ2,θ2),...,Η(φλ,Qk)].步骤8.2，从子阵接收数据模型的协方差矩阵中提取出信号子空间队和噪声子空间Un ;上式中，R代表子阵接收数据矢量的协方差矩阵
5.根据权利要求3所述的共形天线阵波达方向估计方法，其特征是，在步骤4和6中，若某一阵元与2个或2个以上的聚类中心的距离相等，则把这个阵元同时分配到这些2个或2个以上的聚类中心所代表的聚类中。
【文档编号】H04B7/04GK103731189SQ201410008145
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月8日 优先权日:2014年1月8日
【发明者】谢跃雷, 汤金燕, 欧阳缮, 彭诚诚, 刘庆华, 晋良念, 陈紫强, 李民政, 蒋俊正 申请人:桂林电子科技大学