一种基于数字可编程超表面的多源DOA估计方法

摘要

本发明公开了一种基于数字可编程超表面的多源DOA估计方法，包括用于调控空间电磁波的可编程超表面及利用稀疏信号恢复算法进行高精度DOA估计的过程。所述的超表面由多个集成了二极管的单元构成，单元的工作状态可以通过加载不同电压的方式来动态的改变。本发明利用数字可编程超表面产生一组随机双波束表面编码来构建感知矩阵，利用一个接收喇叭来采样多个方向的入射波信息并利用稀疏信号恢复算法对采样信息进行计算，从而得到高精度的入射角信息。本发明可以在避免复杂的移相网络及大量的传感器的条件下，实现高精度的来波方向估计同时减少采样成本。这项工作有望在雷达及无线通信领域拥有重要的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于雷达及电磁感知领域，特别涉及一种基于数字可编程超表面的多源DOA估计方法。

背景技术

作为超材料的二维平面形式，数字式可编程超表面凭借其可重构的单元特性，可以实现对空间电磁波的灵活调控。基于这一特性，数字可编程超表面可以作为一种新型的天线类型，应用于诸如雷达及通信系统领域。DOA估计技术作为雷达和无线通信领域的关键技术之一，已经进行了许多年的研究。然而传统的DOA估计方法都是基于相控阵天线的形式，这些阵列天线往往需要复杂的移项网络结构或者大量的传感器接收阵列。这些复杂的硬件设计会带来很高的生产成本及计算复杂度。如何将天线阵列结构简单化的同时实现高精度的DOA估计效果，成为了这个领域的一个重要问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于数字可编程超表面的多源DOA估计方法。该方法可以在避免复杂的移相网络及大量的传感器的条件下，实现高精度的来波方向估计同时减少采样成本。

技术方案：一种基于数字可编程超表面的多源DOA估计方法，所述可编程超表面用于调控空间电磁波，利用稀疏信号恢复算法进行高精度DOA估计的过程。所述的可编程超表面由多个集成了二极管的反射式单元构成，反射式单元的工作状态可以通过加载不同电压的方式来动态的改变。本发明利用数字可编程超表面产生一系列随机双波束表面编码来构建感知矩阵，利用一个接收喇叭来采样多个方向的入射波信息，并利用稀疏信号恢复算法对采样信息进行计算，从而得到高精度的入射角信息。

本发明的一种基于数字可编程超表面的多源DOA估计方法，包括以下步骤：

步骤1，利用可编程超表面产生M组随机双波束表面编码，每组双波束表面编码对应一组固定的双波束角度，每组双波束的指向角度都不相同。所述M组是指40组或更多。

所述可编程超表面包括由反射式单元形成的阵列、以及接收喇叭；反射式单元形成的阵列用于产生双波束表面编码，接收喇叭用于接收能量。

反射式单元包括第一金属铜柱、第二金属铜柱、二极管、金属扇形枝节以及从上到下依次设置的金属贴片层、第一介质层、隔离介质的金属地层、第二介质层、第三介质层和馈电层；

第一金属铜柱贯穿金属贴片层、第一介质层、金属地层、第二介质层、第三介质层和馈电层，连接金属贴片层和底部的馈电层；金属扇形枝节加载在馈电层与第三介质层之间，且与第一金属铜柱7连接，用于射频(RF)信号隔离和直流电压偏置；第二金属铜柱贯穿金属贴片层、第一介质层和金属地层，连接金属贴片与金属地层，二极管设置在金属贴片层的表面，且二极管连接在第一金属铜柱和第二金属铜柱之间，通过改变第一金属铜柱与第二金属铜柱之间的电压控制二极管状态，每一组双波束表面编码对应一组二极管状态。

本发明中设置了400个反射式单元，也就是有400个二极管，每一个二极管都有两种状态，400个二极管的状态对应了一组双波束表面编码，通过设置可编程超表面中400个二极管的状态实现空间电磁波的动态调控。

步骤2，在matlab中利用步骤1中产生的M组表面编码建立一个完整的传感矩阵；传感矩阵代表了空间所有方向的来波应当采样到的信号能量。

步骤3，利用标准喇叭对超表面进行照射，喇叭的照射距离为远场源照射。然后将M组双波束表面编码利用FPGA依次编入可编程超表面中，最后利用接收喇叭对照射能量进行采样得到M组采样结果。所述接收喇叭是标准矩形喇叭。

对于一组固定的表面编码，接收喇叭的采样信号应满足式(1)：

其中q为反射式单元的状态，具体数值为“0”或“1”；θ和φ为入射波的角度，(x

步骤4，通过将M组采样结果与传感矩阵作投影对比，并采用OMP算法计算出明显的来波角度信息。

有益效果：本发明利用数字可编程超表面实现了多源DOA估计。本发明提出的方法可以在避免复杂的移相网络及大量的传感器的条件下，实现高精度的来波方向估计同时减少采样成本。这项工作有望在雷达及无线通信领域拥有重要的应用前景。

附图说明

图1是本发明提供的数字可编程超表面的结构示意图。

图2是本发明提供的数字可编程超表面的单元结构示意图。

图3是利用数字可编程超表面实现双波束的示意图

图3a是双波束的口面编码示意图。

图3b是双波束的远场仿真示意图。

图3c是双波束的E面仿真示意图。

图3d是双波束的测试结果示意图。

图4是利用数字可编程超表面实现多源DOA的估计模型图。

图5是40组编码模式的互相关系数矩阵图。

图6是40组编码模式的归一化能量值矩阵图。

图7是40组编码模式下各角度的归一化平均能量值图。

图8是单入射源下仿真与实测的对比结果图。

图8a是单入射源下仿真采样值图。

图8b是单入射源下实验得到的采样值图

图8c是单入射源下投影法仿真计算的DOA估计值图。

图8d是单入射源下投影法实验计算的DOA估计值图。

图8e是单入射源下OMP算法仿真计算的DOA估计值图。

图8f是单入射源下OMP算法实验计算的DOA估计值图。

图9是双入射源下仿真与实测的对比结果图。

图9a是双入射源下仿真得到的采样值图。

图9b是双入射源下实验得到的采样值图。

图9c是双入射源下投影法仿真计算的DOA估计值图。

图9d是双入射源下投影法实验计算的DOA估计值图。

图9e是双入射源下OMP算法仿真计算的DOA估计值图。

图9f是双入射源下OMP算法实验计算的DOA估计值图。

其中，1、金属贴片层；2、第一介质层；3、金属地层；4、第二介质层；5、第三介质层；6、馈电层；7、第一金属铜柱；8、第二金属铜柱；9、二极管；10、金属扇形枝节

具体实施方式

现结合附图和实施例进一步阐述本发明的技术方案。

本发明的一种基于数字可编程超表面的多源DOA估计方法，包括以下步骤：

步骤1，利用可编程超表面产生40组随机双波束表面编码，每一组表面编码对应一组固定的双波束角度，每组双波束的指向角度都不相同。

所述数字可编程超表面的结构示意图，如图1所示，可编程超表面是由400(20×20)个可重构的反射式单元形成的阵列。阵列采用一个标准矩形喇叭进行空馈，为了防止馈源的遮挡效应，标准矩形喇叭的入射角度被设置为45°入射。标准矩形喇叭的相位中心距离可编程超表面中心为150mm。

所述反射式单元的结构如图2所示。反射式单元包括第一金属铜柱7、第二金属铜柱8、二极管9、金属扇形枝节10以及从上到下依次设置的金属贴片层1、第一介质层2、隔离介质的金属地层3、第二介质层4、第三介质层5和馈电层6；

第一金属铜柱7贯穿金属贴片层1、第一介质层2、金属地层3、第二介质层4、第三介质层5和馈电层6，连接金属贴片层1和底部的馈电层6，金属扇形枝节10加载在馈电层6与第三介质层5之间，且与第一金属铜柱7连接，用于射频(RF)信号隔离和直流电压偏置；第二金属铜柱8贯穿金属贴片层1、第一介质层2和金属地层3，连接金属贴片与金属地层3，二极管9设置在金属贴片层1的表面，二极管9连接第一金属铜柱7和第二金属铜柱8之间，通过改变第一金属铜柱7与第二金属铜柱8之间的电压控制二极管状态。通过设置可编程超表面中400个二极管的状态实现空间电磁波的动态调控。

图3为利用数字可编程超表面实现双波束的示意图，其中双波束的角度分别为10°和-30°。图3a为产生双波束的口面编码，其中不同的颜色代表了不同的二极管开关状态。黑色代表“0”状态，即二极管关闭。白色代表“1”状态，即二极管导通。图3b为仿真的双波束远场示意图。图3c为双波束远场的E面仿真示意图。图3d为双波束远场的E面的测试效果图，测试效果证明本发明提出的数字可编程超表面可以很好的实现双波束效果。

步骤2，在matlab中用40组表面编码建立一个完整的传感矩阵，传感矩阵代表了空间所有方向的来波应当采样到的信号能量。

图5为利用40组编码产生的感知矩阵的互相关系数，其中白色越亮的地方代表相关性越强。仿真结果表明生成的感知矩阵各列之间满足很好的正交性。图6为40组编码在整个空间计算出的归一化能量值矩阵，其含义为空间各个角度的采样能量的大小。图7为计算出的各个角度的归一化平均能量值，代表随机双波束覆盖了从-60°到60°的测试范围。

步骤3，利用标准喇叭对超表面进行照射，标准喇叭的照射距离为远场源照射。然后将40组双波束表面编码利用FPGA依次编入可编程超表面中，最后利用一个矩形喇叭对照射能量进行采样。

对于一组固定的表面编码，接收喇叭的采样信号应满足式(1)：

其中q为反射式单元的状态，具体数值为“0”或“1”；θ和φ为入射波的角度，(x

步骤4，通过将40组采样结果与传感矩阵作投影对比，并采用OMP算法计算出明显的来波角度信息。