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(19)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 202210752613.5 (22)申请日 2022.06.29 (71)申请人 南京理工大 学 地址 210094 江苏省南京市玄武区孝陵卫 200号 (72)发明人 李猛猛 赖梓扬 丁大志 樊振宏 房欣宇 陈明辉 朱泳庚 左雨翰 宋汶钊 洪宏展 (74)专利代理 机构 南京理工大 学专利中心 32203 专利代理师 薛云燕 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 17/16(2006.01)H01Q 15/00(2006.01) (54)发明名称 一种基于时空调制超表面的DOA估计方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于时空调制超表面的 DOA估计方法, 该方法为: 首先设计超表面的调制 时序, 运用傅里叶变换理论, 建立时空调制超表 面系统的接收信号模型; 然后利用发射喇叭天线 照射超表面, 在超表面法线方向上放置接收喇 叭, 获取边带信号; 接着利用信号模型中的解析 关系和时空调制矩阵, 恢复出含有方位角信息的 基带信号; 最后对基带信号的协方差矩阵进行秩 恢复处理后, 计算来波信号的入射角度。 本发明 具有硬件结构简单、 实现成本低、 灵活性和有效 性高、 计算精度高、 抗噪性能强, 并且能进行多信 源DOA估计的优点。 权利要求书4页 说明书9页 附图6页 CN 115099039 A 2022.09.23 CN 115099039 A 1.一种基于时空调制超表面的DOA估计方法, 其特 征在于, 包括以下步骤: 步骤1、 设计超表面的调制时序, 运用傅里叶变换理论, 建立时空调制超表面系统的接 收信号模型; 步骤2、 利用发射喇叭天线照射超表面, 在超表面法线方向上放置接收喇叭天线, 获取 边带信号; 步骤3、 利用信号模型中的解析关系和时空调制矩阵, 恢 复出含有方位角信息的基带信 号; 步骤4、 对基带信号的协方差矩阵进行秩恢复处 理后, 计算 来波信号的入射角度。 2.根据权利要求1所述的基于时空调制超表面的DOA估计方法, 其特征在于, 步骤1中设 计超表面的调制时序, 运用傅里叶变换理论, 建立时空调制超表面系统的接收信号模型, 具 体如下: 步骤1.1、 建立超表面DOA估计系统, 包括透射式电可调超表面单元、 FP GA控制模块和接 收喇叭天线; 所述透射式电可调超表面单元用于构成子阵, 进而构成超表 面阵列; 所述FPGA 用于调控每 个子阵的工作状态; 所述接收喇叭天线用于获取散射场频谱, 提取边带信号; 对于由N个子阵组成的电可调超表面阵列, 超表面单元搭载PIN光电二极管, 从而使每 个子阵的工作状态通过FPGA控制模块以数字编 码的形式独立切换; 超表面子阵共有全透射 和全反射两种工作状态, 通过时空调制编码, 操控超表面的散射场; 利用时空调制超表面操 控空间电磁波, 利用单个接收喇叭天线获取散射场; 步骤1.2、 对于单一窄带平面波, 当平面波以入射角 θi照射在超表面上时, 透射空间的远 场散射方向图af( θ,t)表示 为: 其中, θ和t分别为角度变量和时间变量, j表示虚数单位, Ei(t)表示时域形式的入 射场, β 为自由空间传播常数, d是子阵边长; τn(t)为第n个子阵的透射系数, 表示 为: 其中, m∈N, 表示第m个周期; 步骤1.3、 根据傅里叶变换理论, 对透射系数τn(t)进行傅里叶展开, 分解为以调制频率 fp为步进的各阶谐波, 表示 为: 其中, αn,q代表第n个子阵的第q阶谐波的傅里叶级数, 展开写为: 步骤1.4、 将式(3)代入式(1)中, 则此时第q阶谐波对应的透射空间的远场散射方向图权 利 要 求 书 1/4 页 2 CN 115099039 A 2的频域形式 afq( θ )的表达式为: 其中, Ei表示入射场的频域形式, 是一个常数; 步骤1.5、 将接收喇 叭天线放置于超表面的正后方, 即θ=0 °处, 则此时接收到的第q阶 谐波分量, 即信号模型为: 3.根据权利要求2所述的基于时空调制超表面的DOA估计方法, 其特征在于, 步骤2中利 用发射喇叭天线照射超表面, 在 超表面法线方向上放置接收喇叭天线, 获取边带信号, 具体 如下: 步骤2.1、 发射喇叭天线和接收喇叭天线均选用标准喇叭天线, 分别位于超表面两侧, 且均满足远场条件; 用信号 发生器连接发射 喇叭天线, 发射单频点正弦波, 以设定角度照射 超表面, 模拟无限远处到 达的平面波; 步骤2.2、 平面波经超表面调制后, 产生的透射场由接收喇叭天线获取, 接收喇叭天线 位于超表面法线方向上, 且与超表面的相对位置保持不变, 以保证从每个子阵到接 收喇叭 天线的波程 不变; 步骤2.3、 使用接收喇叭天线连接频谱分析仪, 观察透射场的频谱, 用电脑读取频谱数 据, 提取‑Q~+Q阶的共2Q+1阶谐波分量, 存 储在矩阵Y中, 完成边带信号的提取。 4.根据权利 要求3所述的基于时空调制超表面的DOA估计方法, 其特征在于, 步骤2.3中 所述的矩阵Y, 形式如下: 5.根据权利要求4所述的基于时空调制超表面的DOA估计方法, 其特征在于, 步骤3中利 用信号模型中的解析关系和时空调制矩阵, 恢复出含有方位角信息的基带信号, 具体如下: 步骤3.1、 利用步骤2中提取的共2Q+1阶谐波分量, 将式(6)改写为矩阵形式: 权 利 要 求 书 2/4 页 3 CN 115099039 A 3
专利 一种基于时空调制超表面的DOA估计方法
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