1.成果简介

  专利一：基于虚拟阵列内插的无网格化互质阵列波达方向估计方法（CN201710302902.4）

发明人：周成伟; 樊星; 史治国; 陈积明

申请日期：2017-05-03

授权日期：2019-06-18

本专利对应产品、技术优势、性能指标：本发明公开了一种基于内插虚拟阵列信号原子范数最小化的互质阵列波达方向估计方法，主要解决现有技术中虚拟阵列的非均匀性所导致的信息损失问题。其实现步骤是：接收端架构互质阵列；利用互质阵列接收入射信号并建模；计算互质阵列接收信号所对应的等价虚拟信号；构造内插虚拟阵列并建模；构造内插虚拟阵列的多采样快拍信号及其采样协方差矩阵；构造投影矩阵并定义与该投影矩阵相关的投影运算；设计基于内插虚拟阵列信号原子范数最小化的优化问题并求解；根据重建的内插虚拟阵列协方差矩阵进行波达方向估计。本发明提高了波达方向估计的自由度及分辨率，可用于无源定位和目标探测。

图1 互质阵列的结构示意图

图2 总体流程框图

产业化前景描述：现有的DOA(波达方向Direction-of-Arrival)估计方法基于均匀线性阵列的自由度受限，无法有效估计入射信号源的个数大于或等于阵列中天线阵元的个数，因此需要寻找一种新的方法来提高DOA估计的自由度。同时，现有的DOA估计方法需要预先设置信号假定波达方向的空间网格点，这导致了计算复杂度的急剧增加，并且可能会造成固有的模型失配误差。因此，需要寻找一种新的方法来解决这些问题。

本发明提出了一种基于内插虚拟阵列的均匀线性虚拟阵列构建方法，并利用该方法设计了一种优化问题，实现了无网格化的波达方向估计，保证了波达方向估计的分辨率和计算效率。同时，该方法还保证了重建结果为厄米特对称的Toeplitz矩阵，使得最优解与真实值之间的误差更小，提高了DOA估计的性能。

  专利二：基于内插虚拟阵列协方差矩阵Toeplitz化重建的互质阵列波达方向估计方法（CN201710302892.4）

发明人：周成伟; 樊星; 史治国; 陈积明

申请日期：2017-05-03

授权日期：2019-07-23

本专利对应产品、技术优势、性能指标：本发明公开了一种基于内插虚拟阵列协方差矩阵Toeplitz化重建的互质阵列波达方向估计方法，主要解决现有技术中虚拟阵列的非均匀性所导致的信息损失问题。其实现步骤是：接收端架构互质阵列；利用互质阵列接收入射信号并建模；计算互质阵列接收信号所对应的等价虚拟信号；构造内插虚拟阵列并建模；构造内插虚拟阵列的多采样快拍信号及其采样协方差矩阵；构造投影矩阵并定义与该投影矩阵相关的投影运算；根据原始虚拟阵列中的全部信息构建参考协方差矩阵，设计基于内插虚拟阵列协方差矩阵Toeplitz化重建的优化问题并求解；根据重建的内插虚拟阵列协方差矩阵进行波达方向估计。本发明提高了信号波达方向估计的自由度及分辨率，可用于无源定位和目标探测。

图1 互质阵列的结构示意图

图2 总体流程框图

产业化前景描述：如何在阵列信号处理领域中提高波达方向(DOA)估计的自由度，以实现对信号的有效处理和DOA估计？现有的基于均匀线性阵列的方法自由度受限，如何利用互质阵列来增加DOA估计的自由度并避免虚拟阵列中连续的阵元部分造成的信息丢失和估计性能的降低？

本发明提出了一种在互质阵列等价虚拟域上引入阵列内插的思想，利用虚拟阵列提供的全部信息来构建均匀线性阵列，提高DOA估计的自由度和分辨率。同时，基于内插虚拟阵列协方差矩阵Toeplitz化重建的思想设计优化问题，使得重建结果与真实值差异更小，从而提高DOA估计方法的性能。该技术效果可以提高雷达的方位精度和分辨率，有助于研发人员更好地理解和阅读该专利文本。

  专利三：基于内插虚拟阵列信号原子范数最小化的互质阵列波达方向估计方法（CN201710302914.7）

发明人：周成伟; 樊星; 史治国; 陈积明

申请日期：2017-05-03

授权日期：2019-06-18

本专利对应产品、技术优势、性能指标：本发明公开了一种基于内插虚拟阵列信号原子范数最小化的互质阵列波达方向估计方法，主要解决现有技术中虚拟阵列的非均匀性所导致的信息损失问题。其实现步骤是：接收端架构互质阵列；利用互质阵列接收入射信号并建模；计算互质阵列接收信号所对应的等价虚拟信号；构造内插虚拟阵列并建模；构造内插虚拟阵列的多采样快拍信号及其采样协方差矩阵；构造投影矩阵并定义与该投影矩阵相关的投影运算；设计基于内插虚拟阵列信号原子范数最小化的优化问题并求解；根据重建的内插虚拟阵列协方差矩阵进行波达方向估计。本发明提高了波达方向估计的自由度及分辨率，可用于无源定位和目标探测。

图1 组成互质阵列的一对稀疏均匀子阵列结构示意图

图2 总体流程框图

产业化前景描述：现有的DOA估计方法基于均匀线性阵列的自由度受限，无法对超出天线阵元个数的入射信号源进行有效的DOA估计。为了解决这个问题，需要使用互质阵列来增加DOA估计的自由度。但是，现有的基于互质阵列的DOA估计方法需要预先设置信号假定波达方向的空间网格点，这导致了计算复杂度的急剧增加，并可能造成固有的模型失配误差。

本发明提出了一种基于内插虚拟阵列信号原子范数最小化的思想设计优化问题，并利用该优化问题重建内插虚拟阵列协方差矩阵的方法。该方法不需要预先设置信号波达方向的空间网格点，即实现了无网格化的波达方向估计，提高了波达方向估计的分辨率和计算效率。同时，该方法保证了重建结果为厄米特对称的Toeplitz矩阵，使得最优解与理论协方差矩阵之间的误差更小，提高了DOA估计方法的性能。

  专利四：一种基于压缩感知的互质阵列高精度波达方向估计方法（CN201710041947.0）

发明人：周成伟; 史治国; 陈积明

申请日期：2017-01-20

授权日期：2019-10-18

本专利对应产品、技术优势、性能指标：本发明公开了一种基于压缩感知的互质阵列高精度波达方向估计方法，主要解决现有技术中估计精度与计算复杂度之间的矛盾，其实现步骤是：( 1 )接收端天线按照互质阵列结构进行架构；( 2 )利用互质阵列接收入射信号；( 3 )构造压缩感知核；( 4 )利用压缩感知核实现接收信号的压缩，得到互质阵列接收信号的轮廓信号；(5)计算压缩后轮廓信号的协方差矩阵；( 6 )计算轮廓信号所对应的导引向量；( 7 )根据轮廓信号的协方差矩阵及其对应的导引向量计算轮廓信号空间功率谱；( 8 )通过谱峰搜索获得波达方向估计结果。本发明充分利用了互质阵列的大阵列孔径特性和压缩感知技术，在降低计算复杂度的同时实现高精度的波达方向估计，可用于无源定位和目标探测。

总体流程框图

产业化前景描述：如何在不增加计算复杂度和硬件复杂度的情况下，利用非均匀互质阵列实现高精度的DOA估计？

本发明利用了互质阵列大阵列孔径的优势，能够直接利用非均匀互质阵列接收信号进行处理，实现高精度的DOA估计，无需等价虚拟阵列信号的推导，无需寻找实际或等价的均匀线性阵列结构以实现有效的信号处理。同时，本发明引入了压缩感知的思想，通过压缩感知核的设计将互质阵列接收信号压缩为轮廓信号，原始接收信号中包含的核心信息在轮廓信号中得以保留，从而可以直接利用轮廓信号进行高精度的DOA估计。此外，本发明利用Q×1维互质阵列轮廓信号计算空间功率谱实现DOA估计，与直接采用(M+N-1)×1维互质阵列信号相比，有效地降低了计算复杂度。

  专利五：基于互质阵列虚拟域等价信号原子范数表示的波达方向估计方法（CN201710762537.5）

发明人：周成伟; 史治国; 陈积明

申请日期：2017-08-30

授权日期：2019-09-13

本专利对应产品、技术优势、性能指标：本发明公开了一种基于互质阵列虚拟域等价信号原子范数表示的波达方向估计方法，主要解决现有原子范数定义与互质阵列虚拟域等价信号模型之间的定义失配问题，其实现步骤是：接收端使用互质阵列接收信号并建模；推导互质阵列接收信号所对应的等价虚拟信号；形成互质阵列虚拟域二阶等价多采样快拍信号的理论模型；互质阵列虚拟域等价信号的原子范数定义；设计基于互质阵列虚拟域等价信号原子范数表示的优化问题以重建虚拟域协方差矩阵；根据重建的虚拟域协方差矩阵进行波达方向估计。本发明基于虚拟域等价信号并利用原子范数设计波达方向估计方法，在保证自由度性能提升的同时实现了无网格化的波达方向估计，可用于无源探测和目标定位。

总体流程框图

产业化前景描述：如何在互质阵列中引入原子范数并实现无网格化的波达方向估计，以提高统计信号处理的精度和性能指标？

本发明通过虚拟域中多个均匀线性子阵列的提取及其相应等价接收信号的建模，构造虚拟域等价多采样快拍信号，并通过各虚拟域采样快拍之间的相位差提取虚拟域二阶等价接收信号的相位信息，克服了虚拟域等价二阶信号中包含的实数值功率信息与经典原子范数定义相违背带来的问题。同时，利用了各虚拟域采样快拍之间的相位差及二阶统计量中包含的各信号源实数功率值进行原子范数的定义，解决了经典原子范数定义与虚拟域二阶等价接收信号之间存在的模型失配问题，为原子范数在基于虚拟域统计量的阵列信号处理领域中的应用提供了理论保障。此外，本发明基于互质阵列虚拟域等价信号原子范数的表示设计波达方向估计方法，无需预先定义空间采样网格点到设计优化问题，实现了无网格化的波达方向估计，同时增加了自由度性能。

  专利六：基于稀疏阵列直接内插的波达方向估计方法（CN201710736531.0）

发明人：周成伟; 史治国; 陈积明

申请日期：2017-08-24

授权日期：2019-08-30

本专利对应产品、技术优势、性能指标：本发明公开了一种基于稀疏阵列直接内插的波达方向估计方法，主要解决现有技术中基于虚拟域等价信号处理所导致的信息损失和性能衰减等问题。其实现步骤是：接收端使用稀疏阵列接收信号并建模；通过虚拟阵元内插将稀疏阵列转变为均匀线性阵列并进行接收信号建模；内插稀疏阵列投影向量定义；设计基于矩阵秩最小化的优化问题并求解，以重建内插稀疏阵列协方差矩阵；根据重建的内插稀疏阵列协方差矩阵进行波达方向估计。本发明提高了波达方向估计的自由度及估计准确度，可用于无源定位和目标探测。

总体流程框图

产业化前景描述：传统的均匀线性阵列在波达方向估计中存在着阵列孔径和DOA估计的自由度受限的问题，导致了算法性能与计算效率之间的权衡问题。为了解决这个问题，稀疏阵列开始受到关注，相关基于稀疏阵列的波达方向估计方法逐渐被提出，但基于虚拟域的统计信号处理存在一定的局限，如信息损失和秩亏现象，需要克服。

本发明提出了一种在稀疏阵列上直接实现虚拟阵元的内插的方法，避免了在虚拟域中进行统计信号处理，能够完全利用稀疏阵列接收到的全部信号信息，同时引入了协方差矩阵的Toeplitz结构作为先验信息，以保证重建结果与理论值的接近程度，提升了波达方向估计的准确度。该技术能够有效避免高阶统计量计算，提高虚拟阵元的内插精度，从而满足奈奎斯特采样定理条件，提高波达方向估计的准确度。

  专利七：基于信号子空间旋转不变性的互质阵列波达方向估计方法（CN201710313242.X）

发明人：周成伟; 史治国; 陈积明; 沈一帆; 樊星

申请日期：2017-05-05

授权日期：2020-08-07

本专利对应产品、技术优势、性能指标：本发明公开了一种基于信号子空间旋转不变性的互质阵列波达方向估计方法，主要解决现有技术中自由度性能受限与计算复杂度高的问题，其实现步骤是：接收端天线按互质阵列结构进行架构；利用互质阵列接收入射信号并建模；计算互质阵列接收信号所对应的等价虚拟信号；构造虚拟阵列协方差矩阵；形成虚拟阵列协方差矩阵的信号子空间；构造具有旋转不变性的两个虚拟子阵信号子空间；计算两个虚拟子阵信号子空间之间的转换矩阵；计算波达方向估计结果。本发明充分利用了互质阵列能够增加自由度的优势和基于信号子空间旋转不变性的方法无需预先设置网格点的特点，在降低计算复杂度的同时实现波达方向估计方法自由度的增加，可用于无源定位和目标探测。

总体流程框图

产业化前景描述：现有的DOA估计方法采用均匀线性阵列进行信号的接收与建模，但自由度受限于实际天线阵元个数，无法有效DOA估计，需要通过增加物理天线阵元及相应的射频模块来实现，造成系统计算复杂度和硬件复杂度的增加。为了解决这个问题，出现了互质阵列，它能够提供更大的自由度，突破了均匀线性阵列自由度受限的瓶颈。然而，现有的基于互质阵列的DOA估计方法通常需要通过设置预先定义的网格点来设计优化问题，从而进行DOA估计，但实际中信号的来波方向不会完全位于这些预先定义的网格点上，导致了DOA估计的精度受限于网格密度。此外，现有的DOA估计方法的频谱图通常为伪谱，无法用来表示信号功率，而现实场景中信号功率是一个重要的参量，因此需要一种能够同时反映信号功率的DOA估计方法。

本发明利用互质阵列增加DOA估计的自由度，通过虚拟阵列协方差矩阵实现DOA估计，提高了自由度并降低了计算复杂度和硬件复杂度。同时，本发明利用基于虚拟均匀线性阵列信号子空间旋转不变性的方法，无需预先设置网格点来进行波达方向估计，避免了传统方法预先定义网格点所导致的固有估计误差。

  专利八：基于内插虚拟阵列协方差矩阵子空间旋转不变性的互质阵列波达方向估计方法（CN201810327847.9）

发明人：周成伟; 张宗煜; 史治国; 陈积明

申请日期：2018-04-12

授权日期：2021-03-23

本专利对应产品、技术优势、性能指标：本发明公开了一种基于内插虚拟阵列协方差矩阵子空间旋转不变性的互质阵列波达方向估计方法，主要解决现有技术中虚拟阵列的非均匀性导致的信息损失以及预定义空间网格点的基不匹配问题所引发的波达方向估计误差。其实现步骤是：架构互质阵列；互质阵列接收信号建模并计算其等价虚拟信号；构造内插虚拟阵列并初始化其虚拟域信号统计量；设计基于核范数最小化的优化问题并求解，以重建内插虚拟阵列协方差矩阵；形成内插虚拟阵列协方差矩阵的信号子空间；构造具有旋转不变性的两个虚拟子阵信号子空间；计算两个虚拟子阵信号子空间的转换矩阵；形成波达方向估计的闭式解。本发明提高了波达方向估计的自由度和准确度，可用于无源定位和目标探测。一

总体流程框图

产业化前景描述：如何提高波达方向估计的自由度，突破均匀线阵自由度受限的瓶颈，实现有效的DOA估计？如何避免互质阵列中虚拟阵元数大于实际天线阵元数引起的信号模型失配问题，同时避免网格化设计步骤导致的计算复杂度和波达方向估计误差？

本发明提出了一种基于非均匀虚拟阵列的内插方法，可以建立符合奈奎斯特采样定律的虚拟均匀线性阵列等价虚拟信号。同时，本发明设计了矩阵重建优化问题并求解，以获得满足厄米特对称的半正定Toeplitz矩阵。利用重建所得内插虚拟阵列协方差矩阵的子空间旋转不变性，实现了无网格化的波达方向估计，避免了现有网格化波达方向估计方法中的谱峰搜索以及预定义空间网格点等设计步骤引起的估计精度与计算复杂度之间的矛盾。通过计算波达方向估计的闭式解，避免了网格化波达方向估计方法中基不匹配现象带来的固有估计误差，同时保证了波达方向估计的准确度和计算效率。

2.所属领域

信号处理技术；无源定位和目标探测

3.知识产权情况

前述成果已申请专利并获得授权。

4.技术成熟度

□样品、实验阶段

□小批量生产、工程应用阶段  

☑试生产、应用开发阶段

□批量生产、成熟应用阶段

5.合作转化方式

专利许可、转让、作价投资等，具体详谈。

6.科研团队

周成伟，浙江大学信息与电子工程学院特聘研究员、博士生导师，浙江大学启真优秀青年学者，工业控制技术国家重点实验室固定研究人员，浙江省协同感知与自主无人系统重点实验室固定研究人员。主要研究方向为阵列信号处理，主持国家自然科学基金面上项目、青年项目、浙江省自然科学基金重点项目、中国博士后科学基金面上资助项目、中国博士后科学基金特别资助（站中）项目、中央高校基本科研业务费专项资金等项目。现任《信号处理》青年编委、国际期刊International Journal of Communication Systems、Franklin Open编委，IEEE/CIC ICCC 2024、IEEE SAM 2020等国际会议组委会成员，IEEE ICASSP 2024等国际会议专题分会共同主席，学术论文获IEEE信号处理学会青年作者最佳论文奖、IET Communications期刊最佳论文奖、中国科协第八届优秀科技论文等，研究成果获中国人工智能学会吴文俊人工智能优秀青年奖、浙江省自然科学一等奖、中国科技产业化促进会科技创新一等奖。

7.联系方式

浙江大学工业技术转化研究院

成果转化项目服务中心 吴老师：0571-88982822

技术转移中心      叶老师：0571-88208236

注：所有成果技术资料来自研究团队，未经授权，请勿转载！

咨询授权请联系：0571-88982822（吴老师）