【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于超表面信號處理，特別是涉及一種基于單元非均勻排布的時空調制超表面波達方向(direction?of?arrival，doa)估計方法。
技術介紹
1、doa估計被廣泛應用于雷達探測，智能天線，衛星通訊等。賀沖等(c.he?et?al.,"direction?finding?by?time-modulated?linear?array,"ieee?transactions?onantennas?and?propagation,vol.66,no.7,pp.3642-3652,jul.2018)提出了基于時間調制陣列的doa估計方法，該方法估計出的doa精度較高，但需要多個天線陣列接收通道，硬件成本較高。
2、近年來，二維人工電磁材料尤其是可重構智能超表面因其設計簡單，成本低廉而受到廣泛關注。通過精細設計其單元結構，超表面能夠實現對電磁波的振幅和相位進行精確調控，因此不少研究者嘗試將超表面與陣列信號處理相結合來實現doa估計。林銘團等(m.lin?et?al.,"single?sensor?to?estimate?doawith?programmable?metasurface,"inieee?internet?of?things?journal,vol.8,no.12,pp.10187-10197,jun.2021)通過對超表面進行空間編碼，并利用單個接收通道實現doa估計，相比于多個天線通道進行doa估計，該方法降低了硬件成本，但當信噪比較低時，doa估計誤差較大；此外，單元之間距離較近時會產生較強的互
技術實現思路
1、針對以上技術問題，本專利技術提出一種基于單元非均勻排布的時空調制超表面doa估計方法，相比于通過單元均勻排布的超表面，本專利技術通過單元非均勻排布減少了超表面單元數量，降低了硬件成本，同時解決了單元間距大于半波長情況下的doa估計模糊的問題，提高在低信噪比的情況下的doa估計精度，具有更強的可靠性。
2、具體的，本專利技術分為以下步驟：
3、s1建立單元非均勻排布的時空調制超表面陣列模型，設計時空編碼矩陣并利用該模型對入射信號進行時空調制；具體如下：
4、s1.1設計單元非均勻排布的時空調制超表面陣列模型
5、超表面陣列模型包含單元數量為n×m個，排布成n行m列的超表面陣列，每一行的單元均勻排布，每一列則以1號單元為基準單元，只有第2號單元與基準單元的距離不超過入射信號的半波長，第3號單元與第2號單元的距離是1、2號單元距離的兩倍，第4號單元與第3號單元的距離是2、3號單元距離的兩倍，依次類推，超表面單元排布如圖2所示，每一列第n號超表面單元調制的入射信號sn(t)可表示為：
6、
7、式中，n＝1，2，…，n，t為時間序列，a0表示入射信號的振幅，fc為入射信號頻率，φ0表示入射信號的初相位，k＝2π/λ為入射信號空間波數，λ為入射信號波長，θ為入射信號俯仰角，wn(t)為第n號超表面單元進行調制時的高斯白噪聲，dn為第n號超表面單元與第一號超表面單元的間隔，因此，d1＝0。設定d2＝λ/2時，則由超表面單元陣列的排布特性，
8、s1.2設計時空編碼矩陣并利用該模型對入射信號進行時空調制
9、時空編碼矩陣大小為n×l，l表示在一個調制周期t0里有l個調制編碼，編碼矩陣如圖3所示。在一個調制周期t0內，時空調制超表面陣列中第n號超表面單元的調制信號可表示為：
10、
11、其中，為第n號超表面單元在一個調制周期內的第l個調制編碼，是一個周期為t0的脈沖函數，其具體表達式為：
12、
13、式中，μ表示調制周期序數，為正整數，τl,on是一個調制周期中調制編碼置為1的時刻，τl,off是一個調制周期中調制編碼置為-1的時刻，l表示調制編碼序號，l＝1，2，…，l。
14、對周期調制信號γn(t)，將其展開成傅里葉級數：
15、
16、其中，f0＝2π/t0表示γn(t)的基頻，ψn,q表示第n號超表面單元的調制信號的第q階諧波的諧波系數，其表達式為：
17、
18、經過單元非均勻排布的超表面陣列調制后，利用位于超表面陣列正中心上方高度為h的接收天線對經超表面陣列各單元調制后的信號進行接收，h需要滿足近場距離條件，通常，0.4λ≤h≤0.6λ，接收信號sa(t)可表示為：
19、
20、將公式(1)～(5)代入公式(6)，可得接收信號sa(t)的傅里葉級數展開式如下：
21、
22、s2獲取接收信號的諧波成分
23、對接收信號進行傅里葉變換，其頻譜sa(f)可表示為：
24、
25、f表示頻譜sa(f)的頻率，通過公式(8)可得到接收信號的頻譜sa(f)，如圖4所示。則頻譜sa(f)中以入射信號頻率fc為中心，基頻為f0的第q階諧波成分可表示為：
26、
27、s3利用接收信號的諧波成分進行doa估計
28、s3.1利用接收信號sa(t)的q階諧波成分構建解析關系
29、將公式(7)展開，并將右側諧波序數q的范圍限定在-q～+q之間，在公式(9)中，抽取-q～+q階諧波成分，在此條件下，聯立公式(7)～(9)可得：
30、
31、式中ψ為各單元調制信號的各階諧波系數所構成的系數矩陣：
32、
33、a為超表面單元流形矢量：
34、
35、γ為sa(f)以入射信號頻率fc為中心，基頻為f0的第q階諧波成分組成的系數矢量：
36、
37、通過矩陣方程(10)，可得到：
38、
39、式中n＝2,3,...,n，ψ-1表示矩陣ψ的逆，[ψ-1γ]n表示向量ψ-1γ的第n個元素。
40、s3.2利用超表面單元的非均勻排布特性計算相位模糊值
41、當超表面單元的距離大于入射信號半波長時會造成入射信號的相位周期重復，周期為2π。因此對超表面單元流形矢量a各元素求入射信號sn(t)相位時：
42、
43、其結果不是入射信號sn(t)的真實相位，而是模糊相位，結合公式(1)，二者之間的關系表示為：
44、
45、式中n＝1,2,3,...,n，βn表示入射信號sn(t)的相位模糊值，1號，2號單元與1號單元的距離均未超過半波長，因此這兩個單元無模糊，其模糊值β1＝β2＝0。
46、由于超表面單元呈線性排列，故當其調制遠場入射信號時，各單元與基準單元的真實相位差與距離差成正比，結合公式(1)有：
47、
48、n,k＝2,3,4,...,n，將k值固定為2，利用2號單元為3～n號單元解模糊，即聯立公式(16)～(17)本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.基于單元非均勻排布的時空調制超表面DOA估計方法，其特征在于，該方法分為以下步驟：
2.如權利要求1所述基于單元非均勻排布的時空調制超表面DOA估計方法，其特征在于：設定D2＝λ/2時，則由超表面單元陣列的排布特性，D3＝λ，D5＝2λ，...，
3.如權利要求1所述基于單元非均勻排布的時空調制超表面DOA估計方法，其特征在于：S1.2中，高度為h需要滿足近場距離條件。
4.如權利要求3所述基于單元非均勻排布的時空調制超表面DOA估計方法，其特征在于：0.4λ≤h≤0.6λ。
5.如權利要求1至4任一項所述基于單元非均勻排布的時空調制超表面DOA估計方法，其特征在于：超表面陣列模型包含單元數量為8×1個。
【技術特征摘要】
1.基于單元非均勻排布的時空調制超表面doa估計方法，其特征在于，該方法分為以下步驟：
2.如權利要求1所述基于單元非均勻排布的時空調制超表面doa估計方法，其特征在于：設定d2＝λ/2時，則由超表面單元陣列的排布特性，d3＝λ，d5＝2λ，...，
3.如權利要求1所述基于單元非均勻排布的時空調制超表面d...
【專利技術屬性】
技術研發人員：蘇曉龍，趙國濤，龔政輝，戶盼鶴，關東方，劉爍煒，劉振，
申請(專利權)人：中國人民解放軍國防科技大學，
類型：發明
國別省市：
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