(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