申请/专利权人：南京理工大学

申请日：2024-01-25

公开（公告）日：2024-04-23

公开（公告）号：CN117639876B

主分类号：H04B7/08

分类号：H04B7/08;H04B7/145;H04L27/10;G01S3/14;G01S3/10

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.23#授权;2024.03.19#实质审查的生效;2024.03.01#公开

摘要：本发明公开了一种基于时空调制超表面的线性调频波抗干扰DOA估计方法，该方法为：设计时空调制超表面调制时序，接收得到混合时域信号，包括待测匹配线性调频波信号与多个干扰信号；从混合时域信号中分离得到匹配时域接收信号实现抗干扰；设计输入匹配信号作为匹配滤波器与分离后的匹配时域接收信号做脉冲压缩，将调制信号傅里叶级数展开，建立时空调制超表面宽带线性调频波的接收信号模型；利用模型中的矩阵解析关系，得到含有方位角信息的基带信号，计算其协方差矩阵实现宽带线性调频波DOA估计。本发明抗干扰能力强、计算精度高、实现成本低且硬件结构简单，能够在空间多个强干扰信号环境下实现匹配线性调频波信号的DOA估计。

主权项：1.一种基于时空调制超表面的线性调频波抗干扰DOA估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、设计时空调制超表面调制时序，接收得到混合时域信号，该混合时域信号包括待测匹配线性调频波信号与多个干扰信号；步骤2、从混合时域信号中分离得到匹配时域接收信号实现抗干扰；步骤3、设计输入匹配信号作为匹配滤波器与分离后的匹配时域接收信号做脉冲压缩，将调制信号傅里叶级数展开，建立时空调制超表面宽带线性调频波的接收信号模型；步骤4、利用接收信号模型中的矩阵解析关系，得到含有方位角信息的基带信号，计算基带信号协方差矩阵实现宽带线性调频波DOA估计；步骤1中，当空间中存在匹配线性调频波信号和多个干扰信号，经过超表面调制系统调制后接收得到混合时域信号；所述超表面调制系统包括超表面单元、电压源控制模块和接收天线，其中：所述超表面单元采用反射型相位电可调超表面单元，用于构成子阵，进而构成超表面阵列；电压源控制模块用于调控每个子阵的工作状态；接收天线用于接收混合时域信号，接收天线采用喇叭天线，且满足远场条件；对于反射型相位电可调超表面阵列，超表面单元加载变容二极管，输入不同的电压幅度，相应的二极管参数则改变，通过电压源控制模块以数字编码的形式作为高低电平输入，进行时空编码的调制，得到混合后的时域信号；步骤1中设计时空调制超表面调制时序，接收得到混合时域信号，具体如下：步骤1.1、对于由个子阵组成的反射型相位电可调超表面阵列，假设存在多个带宽不同的失配线性调频波信号干扰；步骤1.2、对于匹配线性调频波信号，满足远场条件视为平面波，以角度入射到超表面上时，匹配时域接收信号与线性调频波信号分别表示为： （1） （2）其中，和分别为角度变量和时间变量，表示子阵编号且，表示子阵总数，表示虚数单位，是子阵宽度，矩形脉冲表示为，是波数且表示为，是波长且表示成，为真空中的光速，为载波频率，定义，其中、和分别表示线性调频波的斜率、带宽和脉冲持续时间；为第个子阵列的反射系数，表示为： （3）其中和分别是电压源控制模块提供给第个子阵列的高电平信号的起始和终止时刻，是调制时间，表示第次重复周期；步骤1.3、混合时域信号表示当输入信号为多个线性调频波信号时，叠加超表面调制时序后，总的反射场信号： （4）其中为信号源编号，表示第个线性调频波信号且，表示信号源总数，信号源编号表示匹配线性调频波信号，信号源编号到分别对应个带宽不同的失配线性调频波信号，表示噪声信号；步骤2中从混合时域信号中分离得到匹配时域接收信号实现抗干扰，具体如下：步骤2.1、将相互独立的未知源信号彼此无延时线性叠加，构建线性瞬时模型，当接收传感器数目满足，通过构建维分离矩阵求出对源信号的估计，实现信号分离，即在未知具体输入线性调频波和维混合矩阵的情况下，仅通过对个传感器接收信号的处理，求出估计值，关系式如下： （5）其中，上标表示矩阵转置，表示第个传感器接收的混合时域信号；在超表面调制场景中，不同周期的信号噪声不完全一致，接收天线接收个连续周期信号视为个传感器，假设，混合矩阵则表示超表面时空调制时序的叠加混合；步骤2.2、为了找到分离矩阵的各个列向量，使得估计值的各个分量相互独立，以熵来度量非高斯性，用负熵作为判定信号间独立性的目标函数，设计优化分离矩阵迭代算法模型如下： （6） （7）其中是表示迭代次数，是分离独立分量的索引且，是已分离独立分量的索引且，是混合接收信号去均值和去相关处理后的白化信号，表示数学期望，表示向量的2范数，是任意的非二次函数，假设，是的导数，表示分离矩阵在第次迭代下的第个列向量，、分别表示分离矩阵在第次和第次迭代下的第个列向量的转置，是第次迭代下的分离矩阵，表示第次迭代下分离矩阵已分离的第个列向量；步骤2.3、线性调频信号进行超表面调制后动态相位和幅度以非线性方式变化，故更新优化分离矩阵迭代公式： （8）其中，是迭代过程中对应分离矩阵第个列向量的迭代中间变量，表示向量模的平方，上标表示向量或矩阵的共轭，表示分离矩阵第个列向量的迭代中间变量共轭的平方；失配信号与匹配信号间有相关性，设计匹配滤波器时已知匹配信号的信号源，在优化算法过程中引入匹配信号源作为参考信号进行第二层优化，将匹配信号对超表面任一角度入射作为相关性检测，实现分离优化；步骤3中设计输入匹配信号作为匹配滤波器与分离后的匹配时域接收信号做脉冲压缩，将调制信号傅里叶级数展开，建立时空调制超表面宽带线性调频波的接收信号模型，具体如下：步骤3.1、根据步骤2.3分离得到的匹配线性调频波信号参考式（1）得到经超表面调制后的时域接收信号，将第个子阵列的反射系数以傅里叶级数展开得到： （9）其中，上标表示第阶谐波阶数，代表第个子阵的第阶谐波，调制频率为，展开为： （10）其中，函数定义为；步骤3.2、使用脉冲压缩技术，匹配接收时域信号经过匹配滤波后，脉冲压缩信号的结果为： （11）其中是匹配时域接收信号，是匹配的滤波器脉冲响应且表示为，是时延，运算符号表示卷积运算，表示逆傅里叶变换，表示绝对值，假设；令中间变量，式（11）改写成： （12）其中，对应各阶谐波峰在时刻处，表示第阶时间常数；步骤3.3、时空调制超表面宽带线性调频波接收信号模型展开为矩阵关系模型，在噪声环境中形式如下： （13）其中，与分别表示从阶时间常数到阶时间常数的谐波峰的脉冲压缩信号和中间变量，表示第1个子阵到第个子阵的第阶谐波，表示第个子阵的第阶谐波到阶谐波，表示噪声信号经过傅里叶变换后的第阶谐波到阶谐波；式（13）简写为： （14）其中观测矩阵、基带信号矩阵和噪声矩阵具体表示为： （15）时空调制矩阵傅里叶级数展开为： （16）步骤4中利用接收信号模型中的矩阵解析关系，得到含有方位角信息的基带信号，计算基带信号协方差矩阵实现宽带线性调频波DOA估计，具体如下：步骤4.1、式（15）中表示基带信号矩阵，即对应点频信源发出未经过调制的原始信号，元素间的相位差表示平面波以入射角斜入射时，不同超表面子阵列接收到的空间相位差；步骤4.2、计算基带信号的协方差矩阵： （17）其中表示矩阵的共轭转置；将分解得到信号子空间和噪声子空间，再将噪声子空间的特征向量代入MUSIC算法中，由此计算得到最终的宽带线性调频波的DOA估计。

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