基于合成阵的稀疏阵列构型及宽带欠定波达方向估计方法研究

Array structure plays an significant role in underdetermined system representation, and sparse array based wideband underdermined direction of arrival estimation has attracted tremendous attention in recent years. This programme focuses on sparse array construction and underdetermined wideband direction-of-arrival estimation employing the co-array concept, proposing solutions to the sparse array construction problem exploiting the higher order difference co-arrays for passive recognition system and the mixed sum/difference co-arrays for active recognition system. Based on those aforementioned sparse arrays, we try to tackle the wideband DOA estimation problem by exploring co-arrays accross time-frequency domains for degrees of freedom increase, and propose high efficient wideband DOA estimation method to improve the maximum resolvable sources and reduce the complexity without sacrificing the performance. These research results will enrich the theory of wideband underdetermined DOA estimation, presenting the inherent connection between the performance and the array structure, and breaking through sparse array construction technology exploring co-arrays accross multiple dimentions and wideband underdetermined DOA estimation based on multi-frequecy sub-bands synthesis technology.

阵列几何结构在欠定系统表征中发挥着至关重要的作用，稀疏阵列构型及宽带欠定波达方向估计是近年来研究的热点。本项目围绕基于合成阵的稀疏阵列构型及宽带欠定波达方向估计方法开展研究，重点解决被动感知系统基于高阶差合成阵的稀疏阵列构型、主动感知系统基于混合和/差合成阵的稀疏阵列构型等问题。以此为基础，进一步突破宽带阵列欠定波达方向估计中跨基于时间-频率维合成阵阵列自由度提升的问题，同时提出高效能宽带波达方向估计方法，在不牺牲估计精度的前提下提高可分辨信源数，降低运算复杂度，并给出各类宽带波达方向估计方法的性能分析。研究结果将进一步丰富宽带欠定波达方向估计的理论体系，揭示波达方向估计性能与阵列几何结构的内在关联，突破基于多维度（时间-频率-空间）合成阵的稀疏阵列构型及基于多频率子带合成技术的宽带欠定波达方向估计等关键技术。

阵列几何结构在欠定系统表征中发挥着至关重要的作用，稀疏阵列构型及宽带欠定波达方向估计是近年来研究的热点，尤其是基于轻小型资源强约束平台，迫切需要开发阵列孔径合成技术，完成欠定系统的目标测向和定位，在保证不牺牲定位性能和可分辨信源数的前提下，降低搭载设备的总质量和成本。本项目围绕基于合成阵的稀疏阵列构型及宽带欠定波达方向估计方法展开研究，主要贡献总结如下：a) 基于二阶差合成阵的稀疏阵列构型问题，提出了一种鲁棒的稀疏互质阵列，相比于传统互质阵列，在不牺牲阵列自由度的前提下减少了物理阵元数，且具有大幅改善的抗互耦效应的能力；b) 提出了一系列基于高阶差合成阵的稀疏阵列构型，大幅提升了阵列可利用自由度，提高了目标分辨能力和测向精度；c) 针对信号多频率子带间存在相关性的特征，提出了一种基于空间-频率域差合成阵的稀疏阵列构型及相应的欠定波达方向估计算法，实现了阵列自由度的大幅提升；d) 提出了一系列低复杂度的欠定波达方向估计算法，通过合并冗余合成阵、矩阵降维、算法改进等手段实现了运算复杂度的大幅降低，利于实时处理；e) 推导了一系列不同先验信息假设下的宽带欠定波达方向估计的克拉美罗界，并基于克拉美罗界存在性条件推导了可分辨信源数的上界，并证明了引入频率维先验信息可使可分辨信源数大于差合成阵的基数。本项目的研究成果，可应用于轻小型资源强约束平台，在资源强受限的情况下实现多目标分辨和高精度测向。