基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910134126.0 (22)申请日 2019.02.22 (71)申请人 南昌大学 地址 330031 江西省南昌市红谷滩新区学 府大道999号 (72)发明人 陈良兵王玉皞周辉林 (74)专利代理机构 北京慕达星云知识产权代理 事 务 所( 特 殊 普 通 合 伙 ) 11465 代理人 李冉 (51)Int.Cl. G01S 3/14(2006.01) (54)发明名称 一种基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测 向方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于任意阵列的太赫兹。

2、 宽空域无源测向方法， 包括以下步骤： 随机产生 阵列， 并记录天线位置； 根据天线位置计算空间 采样频率向量； 计算所有天线的相关输出向量； 将辐射源的辐射空间范围进行离散化处理； 构建 压缩感知测量方程； 凸优化重构获得太赫兹辐射 源空间角度。 本发明基于太赫兹辐射源空域稀疏 特性， 应用压缩感知原理进行阵列信号处理， 可 采用任意阵实现对太赫兹辐射源的宽空域测向， 不要求最小天线间距小于半波长， 对阵列排列也 没有要求， 较好地解决了因太赫兹波长太短导致 的宽空域测向问题。 权利要求书2页 说明书7页 附图2页 CN 109884581 A 2019.06.14 CN 109884581。

3、 A 1.一种基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方法， 其特征在于， 包括以下步骤： S1： 采用N个天线组成一维天线阵列， 并记录天线位置yi， i1,2,N； S2： 根据天线位置， 获得空间采样频率umn， 并构建空间采样频率向量u； S3： 根据N个天线接收的太赫兹辐射源辐射的信号， 获得N路模拟信号， 并将N路模拟信 号转换为N路数字复信号xi(t)； 其中i1,2,N， t为离散时间变量， N为大于3的整数； S4： 选择任意两路数字复信号xn(t)、 xm(t)， 1nmN， 计算其相关输出Rnm， 并根据n和 m的顺序构建相关输出向量R； S5： 获取空域中没有太赫兹辐射源时的。

4、系统噪声的相关输出， 并统计相关输出的噪声 方差 S6： 将辐射源的辐射空间范围进行离散化处理， 构建太赫兹辐射源功率的空间分布向 量P； S7： 根据输出向量R和空间分布向量P构建任意阵列的压缩感知测量方程； S8： 对压缩感知测量方程进行凸优化重构， 获得太赫兹辐射源空间角度。 2.根据权利要求1所述的一种基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方法， 其特征在 于， 步骤S1中的一维天线阵列为随机生成的天线阵列排布或根据布阵空间约束设置一个具 体天线阵列排布。 3.根据权利要求1所述的一种基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方法， 其特征在 于， 步骤S2包括： S21： 根据天线的排列顺序抽取。

5、两个天线， 根据下式计算空间采样频率unm： unmym-yn； 其中， ym表示第m个天线的位置， yn表示第n个天线的位置； S22： 根据n与m的顺序构建空间采样频率向量u， 公式如下所示： 该公式中包含l个元素， 并且满足1lL， L(N-1)N/2。 4.根据权利要求1所述的一种基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方法， 其特征在 于， 步骤S3中的N路模拟信号经放大、 滤波、 下变频和模数转换变换为N路数字复信号xi(t)。 5.根据权利要求3所述的一种基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方法， 其特征在 于， 步骤S4中Rnm的计算公式如下： 其中， E表示时间平均， 上标*表示复共。

6、轭； R的计算公式如下： 权利要求书 1/2 页 2 CN 109884581 A 2 该公式中包含l个元素， 并且满足1lL。 6.根据权利要求5所述的一种基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方法， 其特征在 于， 步骤S6包括： S61： 将辐射源的辐射空间范围(-1,1)划分成K等份， 获取各空间位置处的辐射源功率P ( k)， k表示空间角度的方向余弦， k1,2,K； S62： 构建太赫兹辐射源功率的空间分布向量P， 向量P表示如下： 7.根据权利要求6所述的一种基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方法， 其特征在 于， 步骤S7包括： S71： 构建传感矩阵A， 公式如下： 其中， j。

7、表示虚部， u1、 u2、 .uL分别表示空间采样频率向量u的第1个元素、 第2个元 素、 .第L个元素。 S72： 构建任意阵列的压缩感知测量方程， 公式如下： RAP。 8.根据权利要求7所述的一种基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方法， 其特征在 于， 步骤S8中的优化模型为： min|P|1s.t.|AP-R|2dSNRR 其中， dSNR为信噪比。 权利要求书 2/2 页 3 CN 109884581 A 3 一种基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方法 技术领域 0001 本发明涉及太赫兹辐射源的测向方法技术领域， 更具体的说是涉及一种采用任意 阵列实现对太赫兹辐射源的宽空域无源测向。

8、方法。 背景技术 0002 太赫兹波是指频率在0.1THz-10THz范围内的一段电磁波， 当前太赫兹源、 太赫兹 探测器以及太赫兹功能器件的发展使其在通信、 雷达探测、 安检等领域应用逐步增多， 因此 研究针对太赫兹辐射源的无源测向方法非常有必要。 但是常见的无源测向方法如干涉仪测 向、 空间谱估计测向等是基于空域傅里叶变换采样原理， 为了实现宽空域测向， 要求无源测 向阵列最小天线间距小于半波长， 并对阵列排列有要求。 而太赫兹波的频率很高， 波长一般 在亚毫米量级， 天线间距很难满足半波长要求， 因此常规测向方法难以实现对太赫兹辐射 源的宽空域测向。 0003 因此， 如何提供一种对天线。

9、间距和阵列均无特殊要求的太赫兹宽空域无源测向方 法是本领域技术人员亟需解决的问题。 发明内容 0004 有鉴于此， 本发明提供了一种基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方法， 该方 法可使用任意阵列结合压缩感知技术实现宽空域测向， 没有最小天线间距要求， 对天线排 列也没有要求， 为受限空间以及太赫兹波测向提供了一种可行途径。 0005 为了实现上述目的， 本发明采用如下技术方案： 0006 一种基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方法， 包括以下步骤： 0007 S1： 采用N个天线组成一维天线阵列， 并记录天线位置yi， i1,2,N； 0008 S2： 根据天线位置， 获得空间采样频率umn。

10、， 并构建空间采样频率向量u； 0009 S3： 根据N个天线接收的太赫兹辐射源辐射的信号， 获得N路模拟信号， 并将N路模 拟信号转换为N路数字复信号xi(t)； 其中， i1,2,N， t为离散时间变量， N为大于3的整 数； 0010 S4： 选择任意两路数字复信号xn(t)、 xm(t)， 1nmN， 计算其相关输出Rnm， 并根 据n和m的顺序构建相关输出向量R； 0011 S5： 获取空域中没有太赫兹辐射源时的系统噪声的相关输出， 并统计相关输出的 噪声方差 0012 S6： 将辐射源的辐射空间范围进行离散化处理， 构建太赫兹辐射源功率的空间分 布向量P； 0013 S7： 根据输。

11、出向量R和空间分布向量P构建任意阵列的压缩感知测量方程； 0014 S8： 对压缩感知测量方程进行凸优化重构， 获得太赫兹辐射源空间角度。 0015 经由上述的技术方案可知， 与现有技术相比， 本发明通过采用压缩感知代替原有 的傅里叶空域采样思想， 基于太赫兹辐射源的空域稀疏特性， 采用任意阵实现对太赫兹辐 说明书 1/7 页 4 CN 109884581 A 4 射源的宽空域测向， 对最小天线间距以及天线布阵要求很低。 0016 优选的， 在上述一种基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方法中， 步骤S1中的 一维天线阵列为随机生成的天线阵列排布或根据布阵空间约束设置一个具体天线阵列排 布。 0。

12、017 优选的， 在上述一种基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方法中， 其特征在于， 步骤S2包括： 0018 S21： 根据天线的排列顺序抽取两个天线， 根据下式计算空间采样频率unm： 0019 unmym-yn； 0020 其中， ym表示第m个天线的位置， yn表示第n个天线的位置； 0021 S22： 根据n与m的顺序构建空间采样频率向量u， 公式如下所示： 0022 0023 该公式中包含l个元素， 并且满足1lL， L(N-1)N/2。 0024 优选的， 在上述一种基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方法中， 步骤S3中的N 路模拟信号经放大、 滤波、 下变频和模数转换变换为N路。

13、数字复信号xi(t)。 0025 优选的， 在上述一种基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方法中， 步骤S4中Rnm 的计算公式如下： 0026 0027 其中， E表示时间平均， 上标*表示复共轭； 0028 R的计算公式如下： 0029 0030 该公式中包含l个元素， 并且满足1lL。 0031 优选的， 在上述一种基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方法中， 步骤S6包括： 0032 S61： 将辐射源的辐射空间范围(-1,1)划分成K等份， 获取各空间位置处的辐射源 功率P( k)， k表示空间角度的方向余弦， k1,2,K； 0033 S62： 构建太赫兹辐射源功率的空间分布向量P， 。

14、向量P表示如下： 说明书 2/7 页 5 CN 109884581 A 5 0034 0035 优选的， 在上述一种基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方法中， 步骤S7包括： 0036 S71： 构建传感矩阵A， 公式如下： 0037 0038 其中， j表示虚部， u1、 u2、 .uL分别表示空间采样频率向量u的第1个元素、 第2个元 素、 .第L个元素。 0039 S72： 构建任意阵列的压缩感知测量方程， 公式如下： 0040 RAP。 0041 优选的， 在上述一种基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方法中， 步骤S8中的 优化模型为： 0042 min|P|1 s.t.|AP-R|2。

15、dSNRR 0043 其中， dSNR为信噪比， s.t.表示其后面为约束函数。 附图说明 0044 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本 发明的实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据 提供的附图获得其他的附图。 0045 图1附图为本发明提供的一种基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方法流程 图； 0046 图2附图为本发明太赫兹阵列接收系统的结构示意图； 0047 图3附图为本发明提供的利用一种基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方法。

16、对 空间角度-80 重构的结果。 具体实施方式 0048 下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完 整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于 本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例， 都属于本发明保护的范围。 说明书 3/7 页 6 CN 109884581 A 6 0049 如图1所示， 本发明实施例公开了一种基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方 法， 包括以下步骤： 0050 S1： 采用N个天线组成一维天线阵列， 并记录天线位置yi， i1,2,N； 005。

17、1 S2： 根据天线位置， 获得空间采样频率umn， 并构建空间采样频率向量u； 0052 S3： 根据N个天线接收的太赫兹辐射源辐射的信号， 获得N路模拟信号， 并将N路模 拟信号转换为N路数字复信号xi(t)； 其中， i1,2,N， t为离散时间变量， N为大于3的整 数； 0053 S4： 选择任意两路数字复信号xn(t)、 xm(t)， 1nmN， 计算其相关输出Rnm， 并根 据n和m的顺序构建相关输出向量R； 0054 S5： 获取空域中没有太赫兹辐射源时的系统噪声的相关输出， 并统计相关输出的 噪声方差 0055 S6： 将辐射源的辐射空间范围进行离散化处理， 构建太赫兹辐射源。

18、功率的空间分 布向量P； 0056 S7： 根据输出向量R和空间分布向量P构建任意阵列的压缩感知测量方程； 0057 S8： 对压缩感知测量方程进行凸优化重构， 获得太赫兹辐射源空间角度。 0058 本发明基于太赫兹辐射源空域稀疏特性， 应用压缩感知原理进行阵列信号处理， 可采用任意阵实现对太赫兹辐射源的宽空域测向， 不要求最小天线间距小于半波长， 对阵 列排列也没有要求， 较好地解决了因太赫兹波长太短导致的宽空域测向不精准的问题。 0059 下面针对以上步骤进行详细说明。 0060 S1： 采用N个天线组成一维天线阵列， 随机生成一个天线阵列排布， 也可以根据布 阵空间约束设置一个具体天线排。

19、布。 具体可通过生成一组N个随机数， 将N个随机数数值作 为天线阵列位置， N个天线的波长归一化位置为yi， i1,2,N。 0061 S2： 根据天线位置， 获得空间采样频率umn， 并构建空间采样频率向量u； 0062 S21： 按照天线的排列顺序抽取两个天线， 利用公式(1)计算两个天线之间的天线 间距， 得到空间采样频率umn。 0063 unmym-yn (1)； 0064 S22： 根据n与m的顺序构建空间采样频率向量u， 如公式(2)所示： 0065 0066 为了便于描述， 向量u的第l个元素， 记为ul， 1lL,L(N-1)N/2。 0067 S3： 将各天线接收的模拟信号。

20、转换诶数字信号， 根据N个天线接收的太赫兹辐射源 辐射的信号， 获得N路模拟信号， 并将N路模拟信号经放大、 滤波、 下变频和模数转换变换为N 路数字复信号xi(t)； 其中， i1,2,N， t为离散时间变量， N为大于3的整数。 0068 具体的， 本发明采用太赫兹阵列接收系统进行模数转换， 如图2所示， 太赫兹阵列 接收系统由天线阵列、 放大器、 滤波器、 下变频模块、 中频放大滤波模块、 同步采集模块模块 说明书 4/7 页 7 CN 109884581 A 7 和信号处理模块构成； 天线用于接收太赫兹辐射源信号， 放大器和滤波器分别用于对辐射 源信号进行放大及滤波， 下变频模块将滤波。

21、后的信号从太赫兹频率搬移至中频， 并由中频 放大滤波模块对中频信号进行放大滤波处理； 同步采集模块用于完成对N路模拟信号的同 步采集。 信号处理模块用于完成对信号的模数转换， 并完成相关处理和压缩感知重构处理 过程。 0069 S4： 选择任意两路数字复信号xn(t)、 xm(t)， 1nmN， 利用公式(3)计算其相关 输出Rnm： 0070 0071 其中， E表示时间平均， 上标*表示复共轭； 0072 根据n和m的顺序构建相关输出向量R， 如公式(4)所示： 0073 0074 为了便于描述， 向量R的第l个元素， 记为Rl， 并且满足1lL， L(N-1)N/2。 0075 S5： 。

22、测量系统相关输出噪声功率， 当空域中没有太赫兹辐射源时， 根据步骤S4测量 的系统噪声的相关输出， 统计相关输出的噪声方差， 记为 0076 根据公式(3)和公式(4)测量空域中存在太赫兹辐射源时的相关输出， 并获得其相 关输出向量R。 0077 S6： 将辐射源的辐射空间范围进行离散化处理， 构建太赫兹辐射源功率的空间分 布向量P； 0078 S61： 将辐射源的辐射空间范围(-1,1)划分成K等份， 获取各空间位置处的辐射源 功率P( k)， k表示空间角度的方向余弦， k1,2,K； 0079 S62： 构建太赫兹辐射源功率的空间分布向量P， 向量P的表示如公式(5)所示： 0080 由。

23、于空间中的辐射源个数是有限的， 因此， 辐射源功率的空间分布向量是稀疏的， 向量P中的大部分元素值为0， 只有少数值不为0。 0081 S7： 根据输出向量R和空间分布向量P构建任意阵列的压缩感知测量方程； 0082 S71： 根据步骤S2获得的空间采样频率umn和步骤S6划分的辐射源的视场空间， 构建 传感矩阵A， 具体如公式(6)所示： 说明书 5/7 页 8 CN 109884581 A 8 0083 0084 其中， j表示虚部， u1、 u2、 .uL分别表示空间采样频率向量u的第1个元素、 第2个元 素、 .第L个元素。 0085 S72： 构建任意阵列的压缩感知测量方程， 具体如。

24、公式(7)所示： 0086 RAP (7)。 0087 其中， 向量P为稀疏向量。 0088 S8： 对压缩感知测量方程进行凸优化重构， 获得太赫兹辐射源空间角度。 0089 应用常规凸优化算法即可从相关输出向量R以及感知矩阵A中高概率重构稀疏向 量P， 其优化模型如公式(8)所示： 0090 min|P|1 s.t.|AP-R|2dSNRR (8)； 0091 其中， dSNR为信噪比， s.t.表示其后面为约束函数。 0092 下面通过试验验证本发明提供的基于任意阵列的太赫兹宽空域无源测向方法能 够准确重构太赫兹辐射源的角度。 0093 1、 试验设备： 0094 1)8单元太赫兹阵列接收。

25、系统， 具体参数如下： 0095 工作波段： 0.1THz； 0096 天线阵元数： 8； 0097 随机生成一组天线排列， 波长归一化天线间距如下： 08.79.911.615.716.3 19.1 23.0； 0098 2)信号源1台： 0099 采用信号源， 设置工作频率为0.1THz， 与太赫兹天线相连作为太赫兹辐射源， 辐射 功率10dBm。 0100 2、 实验过程及结果 0101 将太赫兹辐射源放在距离阵列10m处， 角度为70 ； 关闭辐射源， 测量阵列系统噪声 相关输出， 统计相关输出方差； 然后打开辐射源， 接收太赫兹辐射信号， 得到28个相关输出， 将整个空间-80 ,8。

26、0 分为114份， 检测信噪比取10dB， 图3为重构结果， 重构角度为69.8 ， 与太赫兹辐射源的实际角度比较一致， 说明这种方法能够准确重构太赫兹辐射源的角度。 0102 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述， 每个实施例重点说明的都是与其他 实施例的不同之处， 各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。 对于实施例公开的装置 而言， 由于其与实施例公开的方法相对应， 所以描述的比较简单， 相关之处参见方法部分说 明即可。 0103 对所公开的实施例的上述说明， 使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的， 本文中所定义的 说明书 6/7 页 9 CN 109884581 A 9 一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下， 在其它实施例中实现。 因此， 本发明 将不会被限制于本文所示的这些实施例， 而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。 说明书 7/7 页 10 CN 109884581 A 10 图1 说明书附图 1/2 页 11 CN 109884581 A 11 图2 图3 说明书附图 2/2 页 12 CN 109884581 A 12 。