一维多重冗余传感器阵列结构的设计方法及设计装置

摘要

本发明公开了一种一维多重冗余传感器阵列结构的设计方法及装置，其中，该方法包括：根据基本结构模式构造第一传感器阵列结构；根据第一传感器阵列结构的相邻阵元间距分布情况，对第一传感器阵列结构的参数进行迭代获得第二传感器阵列结构；根据第二传感器阵列结构的相邻阵元间距分布情况，对第二传感器阵列结构参数进行计算获得第三传感器阵列结构。该方法可以解决损毁阵元数量大于或等于2情况下空间频率采样较大程度覆盖的问题，为阵列信号处理应用中的阵列鲁棒性提供保障。

说明书

技术领域

本发明涉及阵列设计与信号处理技术领域，特别涉及一种一维多重冗余传感器阵列结构的设计方法及设计装置。

背景技术

在阵列信号处理领域中利用传感器阵列的稀疏结构与空间频率采样分布获得更大口径的“虚拟”阵列结构，从而获得了比原始阵列结构更高的空间分辨率。但是，当设计者考虑阵列信号处理系统的可靠性、鲁棒性时，尤其是在一些恶劣的工作环境中，例如深海、太空等，需要在任意多个阵元损毁的情况下(损毁阵元数大于或等于2)，仍然能够保证给定空间频率采样分布区域内的基线覆盖完整性。目前已有的低冗余传感器阵列结构无法满足损毁阵元数量大于或等于2情况下空间频率采样分布区域内的基线覆盖完整性要求，降低了阵列信号处理系统在上述应用环境中的可靠性、鲁棒性；虽然目前已有的满布传感器阵列结构能够保证其基线覆盖完整性，但不能兼并实现较高空间分辨率的系统性能。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种一维多重冗余传感器阵列结构的设计方法，该方法解决了现有的传感器阵列结构不能兼顾损毁阵元数量大于或等于2情况下，空间频率采样分布区域内的基线覆盖完整和实现高空间分辨率系统性能的技术问题。

本发明的另一个目的在于提出一种一维重冗余传感器阵列结构的设计装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种一维多重冗余传感器阵列结构的设计方法，包括：

S1，根据基本结构模式构造第一传感器阵列结构；

S2，根据所述第一传感器阵列结构的相邻阵元间距分布情况，对所述第一传感器阵列结构的参数进行迭代获得第二传感器阵列结构；

S3，根据所述第二传感器阵列结构的相邻阵元间距分布情况，对所述第二传感器阵列结构参数进行计算获得第三传感器阵列结构。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种一维多重冗余传感器阵列结构的设计装置，包括：

构造模块，用于根据基本结构模式构造第一传感器阵列结构；

第一设计模块，用于根据所述第一传感器阵列结构的相邻阵元间距分布情况，对所述第一传感器阵列结构的参数进行迭代获得第二传感器阵列结构；

第二设计模块，用于根据所述第二传感器阵列结构的相邻阵元间距分布情况，对所述第二传感器阵列结构参数进行计算获得第三传感器阵列结构。

本发明实施例的一维多重冗余传感器阵列结构的设计方法及装置，以一种基本结构模式作为第一传感器阵列结构；根据第一传感器阵列结构的相邻阵元间距分布情况对第一传感器阵列结构参数进行迭代获得第二传感器阵列结构；根据第二传感器阵列结构的相邻阵元间距分布情况对第二传感器阵列结构参数进行计算获得任意阵元数与任意冗余阶数的最优一维多重冗余传感器阵列结构。获得的一维多重冗余传感器阵列结构，能够在损毁阵元数量大于或等于2情况下实现空间频率采样区域内的基线完整覆盖，为阵列信号处理应用中的系统可靠性提供保障，并能够兼顾较高空间分辨率的系统性能要求。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的一维多重冗余传感器阵列结构的设计方法流程图；

图2为根据本发明一个实施例的第一传感器阵列结构排布以及空间频率采样区域内的基线覆盖情况示意图；

图3为根据本发明一个实施例的第二传感器阵列结构排布以及空间频率采样区域内的基线覆盖情况示意图；

图4为根据本发明一个实施例的给定阵元数为和冗余阶数为情况下第三传感器阵列结构排布以及空间频率采样区域内的基线覆盖情况示意图；

图5为根据本发明一个实施例的一维多重冗余传感器阵列结构的设计装置结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面对本发明实施例中设计的概念进行说明。

给定N个传感器阵元，将其排列在一条直线上组成传感器阵列a，用一组N个互异的非负整数a

传感器阵列a的相邻阵元间距表示形式为：

H＝{u

其中，u

若u

H＝{u

若u

任意两个传感器阵元之间距离为基线长度d,d∈[1,L]，L表示最大基线长度，L

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的一维多重冗余传感器阵列结构的设计方法及装置。

首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的一维多重冗余传感器阵列结构的设计方法。

图1为根据本发明一个实施例的一维多重冗余传感器阵列结构的设计方法流程图。

如图1所示，该一维多重冗余传感器阵列结构的设计方法包括以下步骤：

步骤S1，根据基本结构模式构造第一传感器阵列结构。

进一步地，在本发明的实施例中，以一种基本结构模式作为第一传感器阵列结构，该基本结构模式表示为：

{1

其中，1,p,p+β表示相邻阵元间距，1

步骤S2，根据第一传感器阵列结构的相邻阵元间距分布情况，对第一传感器阵列结构的参数进行迭代获得第二传感器阵列结构。

进一步地，在本发明的一个实施例中，S2进一步包括：

S21，根据第一传感器阵列结构中不同相邻阵元间距的分布情况，确定可重复的相邻阵元间距组为(1

S22，设定一个传感器阵列结构参数m，表征可重复相邻阵元间距组的重复次数；

S23，对第一传感器阵列结构的参数进行迭代获得第二传感器阵列结构。

进一步地，作为一种实施方式，对第一传感器阵列结构的参数进行迭代获得第二传感器阵列结构，可以为对第一传感器阵列结构进行多次第一迭代操作得到第二传感器阵列结构。其中，第一迭代操作为令传感器阵列结构参数m等于m+1。

进一步地，作为另一种实施方式，对第一传感器阵列结构的参数进行迭代获得第二传感器阵列结构，可以为对第一传感器阵列结构进行多次第二迭代操作得到第二传感器阵列结构。其中，第二操作迭代为令传感器阵列结构参数p等于p+1。

进一步地，作为再一种实施方式，对第一传感器阵列结构的参数进行迭代获得第二传感器阵列结构，还可以为同时对第一传感器阵列结构进行多次第一迭代操作和多次第二迭代操作得到第二传感器阵列结构。

进一步地，获得的第二传感器阵列结构的相邻阵元间距表示形式为：

{1

其中，1,p,p+β表示相邻阵元间距，1

第二传感器阵列结构的阵元数N表示为：

N＝p+(m+2)β-1

其中，p,β,m表示第二传感器阵列结构参数，且p,β,m为正整数，p≥1,β≥3,m≥1；

第二传感器阵列结构的最大基线长度L表示为：

L＝(p+2β-1)m+2p+β-2

其中，p,β,m表示第二传感器阵列结构参数，且p,β,m为正整数，p≥1,β≥3,m≥1；

第二传感器阵列结构的最大基线长度A表示为：

A＝L+β-1

式中，L表示第二传感器阵列结构的最大基线长度，β表示第二传感器阵列结构的一个参数，且β正整数，β≥3。

步骤S3，根据第二传感器阵列结构的相邻阵元间距分布情况，对第二传感器阵列结构参数进行计算获得第三传感器阵列结构。

进一步地，S3进一步包括：

S31，确定第三传感器阵列结构的设计模型形式，也就是确定给定任意阵元数与任意冗余阶数的最优一维多重冗余传感器阵列结构设计模型：

s.t.N＝p+(m+2)β-1,β≥3

其中，p,m为待优化的第二传感器阵列结构的参数，L表示传感器阵列结构的最大基线长度，β表示给定的任意基线冗余阶数，N表示给定的任意阵元数，且p,β,m为正整数，p≥1,β≥3,m≥1；

S32，根据二次规划方法获得第二传感器阵列结构的最优参数p

其中，第三传感器阵列结构的参数m

其中，

第三传感器阵列结构的最大基线长度L表示为：

其中，m

第三传感器阵列结构的口径长度A表示为：

A＝L+β-1

其中，L表示第三传感器阵列结构的最大基线长度，β表示给定的任意基线冗余阶数，且β正整数，β≥3。

下面以一个具体实施例对本发明的一维多重冗余传感器阵列结构的设计方法进行详细说明。

1)根据如下所示的基本结构模式构造第一传感器阵列：

{1

其中，1,p,p+β表示相邻阵元间距，1

选取第一传感器阵列结构参数为：(β,p)＝(3,4)，获得的第一传感器阵列结构的相邻阵元间距表示形式为：

{1

其阵列结构和基线覆盖如图2所示，可知该第一传感器阵列结构的阵元数为N＝12；冗余阶数为β＝3；在该冗余阶数(即β＝3)意义下的最大基线长度为L＝18；阵列口径长度为A＝20。

2)根据图2中的第一传感器阵列结构的相邻阵元间距分布情况对传感器阵列结构参数进行迭代获得第二传感器阵列结构。

获得第二传感器阵列结构包括如下步骤：

观测该第一传感器阵列结构中不同相邻阵元间距的分布情况，确定可重复的相邻阵元间距组为(1

引入一个传感器阵列结构参数m，表示可重复相邻阵元间距组的重复次数，该第一传感器阵列结构表示为：

{1

若对该第一传感器阵列结构进行第一迭代操作：即令传感器阵列结构参数m等于m+1，重复1次：

{1

令传感器阵列结构参数m等于m+1，重复2次：

{1

若对该第一传感器阵列结构进行第二迭代操作：即令传感器阵列结构参数p等于p+1，重复1次：

{1

重复2次：

{1

通过对该第一传感器阵列结构进行第一迭代操作或第二迭代操作或同时进行第一迭代操作和第二迭代操作，均能获得新的第二传感器阵列结构，其相邻阵元间距的通用表示形式为：

{1

其中，1,p,p+β表示相邻阵元间距，1

对图2中的第一传感器阵列结构执行2次第一迭代操作和2次第二迭代操作，获得的第二传感器阵列结构的相邻阵元间距表示为：

{1

其阵列结构和基线覆盖如图3所示，可知该第二传感器阵列结构参数为(β,p,m)＝(3,6,3)；阵元数为N＝20；冗余阶数为β＝3；在该冗余阶数(即β＝3)意义下的最大基线长度为L＝46；阵列口径长度为A＝48。

3)根据第二传感器阵列结构的相邻阵元间距分布情况对第二传感器阵列结构参数进行计算获得第三传感器阵列结构，即给定任意阵元数与任意冗余阶数的最优一维多重冗余传感器阵列结构。

例如，给定阵元数N＝30和冗余阶数β＝4，获得第三传感器阵列结构包括如下步骤：

确定给定任意阵元数与任意冗余阶数的最优一维多重冗余传感器阵列结构设计模型：

s.t.N＝p+(m+2)β-1,β≥3

其中，p,m表示待优化的第二传感器阵列结构参数，L表示传感器阵列结构的最大基线长度，β＝4表示给定的任意基线冗余阶数，N＝30表示给定的任意阵元数，且p,m为正整数，p≥1,m≥1。

根据二次规划方法获得最优阵列结构参数p

获得的第三传感器阵列结构表示为：

{1

其阵列结构和基线覆盖如图4所示，可知该第二传感器阵列结构参数为(β,p

本发明提供的实施例中，获得的所有传感器阵列结构均能够在任意β-1(≥2)个阵元的情况下较大程度地覆盖给定空间频率采样区域内的基线；上述提供的第三传感器阵列结构不仅能够在任意β-1(≥2)个阵元的情况下较大程度地覆盖给定空间频率采样区域内的基线，还能够保证系统的高分辨性能要求，使得阵列信号处理系统具有较高的可靠性。

根据本发明实施例提出的一维多重冗余传感器阵列结构的设计方法，首先以一种基本结构模式作为第一传感器阵列结构；根据第一传感器阵列结构的相邻阵元间距分布情况对第一传感器阵列结构参数进行迭代获得第二传感器阵列结构；根据第二传感器阵列结构的相邻阵元间距分布情况对第二传感器阵列结构参数进行计算获得任意阵元数与任意冗余阶数的最优一维多重冗余传感器阵列结构。其获得的一维多重冗余传感器阵列结构，能够在损毁阵元数量大于或等于2情况下实现空间频率采样区域内的基线完整覆盖，为阵列信号处理应用中的系统可靠性提供保障，并能够兼顾较高空间分辨率的系统性能要求。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的一维多重冗余传感器阵列结构的设计装置。

图5为根据本发明一个实施例的一维多重冗余传感器阵列结构的设计装置结构示意图。

如图5所示，该一维多重冗余传感器阵列结构的设计装置包括：构造模块501、第一设计模块502和第二设计模块503。

构造模块501，用于根据基本结构模式构造第一传感器阵列结构。

第一设计模块502，用于根据第一传感器阵列结构的相邻阵元间距分布情况，对第一传感器阵列结构的参数进行迭代获得第二传感器阵列结构。

第二设计模块503，用于根据第二传感器阵列结构的相邻阵元间距分布情况，对第二传感器阵列结构参数进行计算获得第三传感器阵列结构。

需要说明的是，前述对方法实施例的解释说明也适用于该实施例的装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的一维多重冗余传感器阵列结构的设计装置，首先以一种基本结构模式作为第一传感器阵列结构；根据第一传感器阵列结构的相邻阵元间距分布情况对第一传感器阵列结构参数进行迭代获得第二传感器阵列结构；根据第二传感器阵列结构的相邻阵元间距分布情况对第二传感器阵列结构参数进行计算获得任意阵元数与任意冗余阶数的最优一维多重冗余传感器阵列结构。其获得的一维多重冗余传感器阵列结构，能够在损毁阵元数量大于或等于2情况下实现空间频率采样区域内的基线完整覆盖，为阵列信号处理应用中的系统可靠性提供保障，并能够兼顾较高空间分辨率的系统性能要求。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。