用于混合源定位的对称非均匀阵列研究
摘要
信号源定位技术是阵列信号处理的重要组成部分，已广泛应用于军事和民生
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中的众多领域。混合场源定位相较于单一远近场源定位更为复杂，需实现到达
方向和近场距离参数的估计，还需区分远近场源。现有混合源定位技术大多基于
对称阵列实现，然而现有对称阵列结构中，自由度和物理孔径都有待提高，阵元
间互耦效应的抑制也仍需进一步研究。本文研究对称非均匀阵列结构的设计，增
大阵列自由度，抑制耦合效应，结合较低复杂度的算法以实现高精度的混合场源
定位。本文的主要工作和创新点如下：
首先对现有对称阵列结构进行统一形式的总结，完善了部分对称阵列偶数阵
元部分的结构设计，对其结构特性和耦合性能进行了对比分析。
在现有对称嵌套阵列的基础上，改进设计了两种高自由度的对称非均匀阵列，
即对称平移复合嵌套阵列和对称扩展嵌套阵列，并推导出最佳设计方案。其中，
对称平移复合嵌套阵列将中心子阵扩展为稀疏均匀阵，在阵列两侧进行复合嵌套，
以实现阵列连续自由度的提升，同时有效抑制了阵列耦合效应。对称扩展嵌套阵
列提高自由度的同时，进一步扩展了阵列孔径。
针对阵列阵元间的互耦效应问题，设计了一种高自由度低耦合的对称平移扩
展嵌套阵列。该阵列将稀疏中心子阵对称翻转后移位，再将两侧嵌套子阵阵元间
距扩大，并利用扩展部分补充差分协阵的孔洞。该阵列通过扩大阵元间距有效抑
制阵间互耦效应，其阵间耦合泄漏低于其他阵列，且随阵元数增加呈现降低趋势。
阵列结构扩展部分的设计使阵列获得更高的连续自由度，可同时探测更多的混合
场源。
将上述对称阵列结合较低计算量的算法实现高精度混合源定位。首先利用阵
列对称特性构造剔除近场源距离参数的四阶累积量矩阵，结合空间平滑下的求根
MUSIC算法实现混合源的到达方向估计。再利用到达方向估计值结合MUSIC
算法实现近场源距离的频谱峰值搜索，将距离估计值与近场区比较以区分远、近
场源。将混合源二维参数估计转化为两次一维搜索，结合求根MUSIC算法避免
DOA频谱搜索，有效降低了计算量。
本文利用上述混合源定位技术结合不同对称非均匀阵列进行了混合场源定
位的仿真。分析了信噪比、快拍数、耦合系数等因素对于混合源定位精度的影响。
仿真结果表明，在高自由度对称阵列中，不考虑互耦效应时，利用对称扩展嵌套
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
阵列的混合源估计性能优于其他阵列，对称平移复合嵌套阵列次之。在耦合条件
下，应用对称平移扩展嵌套阵列的混合源定位效果优于其他阵列，对称平移复合
嵌套阵列次之。
关键词：混合源定位；对称非均匀阵列；差分协阵；自由度；互耦效应
用于混合源定位的对称非均匀阵列研究
Abstract
Signalsourcelocalizationtechnologyisanimportantpartofarraysignal
processingandhasbeenwidelyusedinmanyfieldsofmilitaryandpeoples
livelihood.Comparedwiththecommonfarornearfieldsourcelocalization,mixed
fieldsourcelocalizationismorecomplex,whichrequirestheestimationofdirection
ofarrival(DOA)andnearfielddistanceparameters,aswellastheclassificationof
nearandfarfieldsources.Mostoftheexistingmixedsourcelocalizationtechniques
areimplementedbasedonsymmetricarray(SA).However,due