基于分布式極化敏感陣列的參數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供基于分布式極化敏感陣列的參數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法，所述方法包括：將由電偶極子對(duì)構(gòu)成的極化敏感陣列中各陣元分量分散放置于空間內(nèi)，從而形成分布式極化敏感陣列；按照陣元的前后順序，將分布式極化敏感陣列劃分為第一子陣列和第二子陣列；在分布式極化敏感陣列接收到入射信號(hào)后，獲得入射信號(hào)的協(xié)方差矩陣；基于所述協(xié)方差矩陣，構(gòu)造信號(hào)子空間；按照矩陣中行數(shù)的前后順序，將由矩陣構(gòu)成的所述信號(hào)子空間劃分為第一子矩陣和第二子矩陣；利用第一子矩陣和第二子矩陣之間的旋轉(zhuǎn)不變性，獲得入射信號(hào)的波達(dá)角度和極化參數(shù)的估計(jì)。
【專利說明】基于分布式極化敏感陣列的參數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及陣列信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其是涉及基于分布式極化敏感陣列的參數(shù)聯(lián)合 估計(jì)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] -個(gè)完備的電磁矢量傳感器由空間放置的3個(gè)電偶極子和3個(gè)磁偶極子構(gòu)成，它 們?cè)诳臻g共點(diǎn)放置相互正交，從而形成極化敏感陣列，可以接收入射電磁波全部的電場(chǎng)分 量和磁場(chǎng)分量，因而相較于傳統(tǒng)的標(biāo)量陣列，極化敏感陣列可以接收更多的入射信號(hào)的信 息。又，極化敏感陣列能夠感應(yīng)入射信號(hào)的極化信息，從而獲得入射電磁信號(hào)的極化參數(shù)。 然而，傳統(tǒng)的標(biāo)量陣列卻由于不能感應(yīng)入射信號(hào)的極化信息，而無法獲得入射電磁信號(hào)的 極化參數(shù)。并且，極化敏感陣列還可以同時(shí)感應(yīng)入射電磁波的極化信息和空域信息。因此， 極化敏感陣列不管是用于極化參數(shù)估計(jì)還是自適應(yīng)波束的形成，其都具有比傳統(tǒng)標(biāo)量陣列 更優(yōu)越的系統(tǒng)性能。
[0003] 在極化敏感陣列的應(yīng)用中，利用電場(chǎng)、磁場(chǎng)和坡印廷矢量之間的矢量關(guān)系，當(dāng)空間 放置有單個(gè)完備的電磁矢量傳感器，利用該電磁矢量傳感器就能夠同時(shí)獲得最多5個(gè)不相 關(guān)信號(hào)的波達(dá)角度（D0A)和極化參數(shù)的估計(jì)，因此，在空間物理孔徑受限的場(chǎng)合具有重要 的意義。
[0004] 然而，針對(duì)極化敏感陣列的信號(hào)處理，大多假設(shè)各個(gè)陣元由2至6個(gè)共點(diǎn)放置的相 互正交的電偶極子或磁偶極子構(gòu)成，因此，各極子在空間共點(diǎn)放置不可避免的會(huì)有嚴(yán)重的 互耦效應(yīng)，互耦效應(yīng)會(huì)降低天線系統(tǒng)的性能。
[0005] 陣元間的互耦現(xiàn)象是不可避免的，為了有效減少陣元各共點(diǎn)通道之間互耦的相互 影響，現(xiàn)有技術(shù)提出了分布式極化敏感陣列，分布式極化敏感陣列是將極化敏感陣列各陣 元共點(diǎn)分量在空間分散放置，其能夠使陣元間的互耦效應(yīng)大大降低，同時(shí)也可以感應(yīng)入射 電磁波的電場(chǎng)信息和極化信息?，F(xiàn)有的針對(duì)分布式極化敏感陣列的參數(shù)估計(jì)方法大多針對(duì) 完備的電磁矢量傳感器，即在空間分散放置3個(gè)電偶極子和3個(gè)磁偶極子，然后再利用改進(jìn) 的矢量叉乘的方法來完成參數(shù)估計(jì)。然而，在實(shí)際中，由于空間電場(chǎng)和磁場(chǎng)是時(shí)變的，時(shí)變 的電場(chǎng)能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)，時(shí)變的磁場(chǎng)能夠產(chǎn)生電場(chǎng)，同時(shí)利用電偶極子和磁偶極子來形成極 化敏感陣列，存在一定的冗余關(guān)系。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為克服上述缺陷，本發(fā)明提供基于分布式極化敏感陣列的參數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法，所 述方法包括：
[0007] 將由電偶極子對(duì)構(gòu)成的極化敏感陣列中各陣元分量分散放置于空間內(nèi)，從而形成 分布式極化敏感陣列；
[0008] 按照陣元的前后順序，將分布式極化敏感陣列劃分為第一子陣列和第二子陣列；
[0009] 在分布式極化敏感陣列接收到入射信號(hào)后，獲得入射信號(hào)的協(xié)方差矩陣；
[0010] 基于所述協(xié)方差矩陣，構(gòu)造信號(hào)子空間；
[0011] 按照矩陣中行數(shù)的前后順序，將由矩陣構(gòu)成的所述信號(hào)子空間劃分為第一子矩陣 和第二子矩陣；
[0012] 利用第一子矩陣和第二子矩陣之間的旋轉(zhuǎn)不變性，獲得入射信號(hào)的波達(dá)角度和極 化參數(shù)的估計(jì)。
[0013] 進(jìn)一步地，所述將由電偶極子對(duì)構(gòu)成的極化敏感陣列中各陣元分量分散放置于空 間內(nèi)，具體為：
[0014] 在建立的包括橫軸和縱軸的坐標(biāo)系中，極化敏感陣列中各陣元以相同的間距分布 放置于縱坐標(biāo)軸，電偶極子交替設(shè)置為平行于橫軸的方向和平行于縱軸的方向。
[0015] 進(jìn)一步地，當(dāng)分布式極化敏感陣列包括Μ個(gè)陣元時(shí)，按照陣元的前后順序，將分布 式極化敏感陣列劃分為第一子陣列和第二子陣列，具體為：
[0016] 劃分分布式極化敏感陣列的前Μ-2個(gè)陣元為第一子陣列，劃分分布式極化敏感陣 列的后Μ-2個(gè)陣元為第二子陣列。
[0017] 進(jìn)一步地，所述基于所述協(xié)方差矩陣，構(gòu)造信號(hào)子空間，具體包括：
[0018] 對(duì)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解，構(gòu)造信號(hào)子空間。
[0019] 進(jìn)一步地，按照矩陣中行數(shù)的前后順序，將由矩陣構(gòu)成的所述信號(hào)子空間劃分為 第一子矩陣和第二子矩陣，具體為：
[0020] 劃分信號(hào)子空間中的矩陣的前Μ-2行構(gòu)成第一子矩陣，劃分信號(hào)子空間中的矩陣 的后Μ-2行構(gòu)成第二子矩陣。
[0021] 進(jìn)一步地，利用第一子矩陣和所第二子矩陣之間的旋轉(zhuǎn)不變性，獲得入射信號(hào)的 波達(dá)角度和極化參數(shù)的估計(jì)，具體包括：
[0022] 基于總體最小二乘法旋轉(zhuǎn)不變法，獲得第一子矩陣和第二子矩陣之間的旋轉(zhuǎn)不變 特性參數(shù)；
[0023] 對(duì)所述旋轉(zhuǎn)不變特性參數(shù)進(jìn)行特征值分解，得到特征值和與所述特征值對(duì)應(yīng)的特 征向量；
[0024] 基于特征值和所述特征向量，獲得入射信號(hào)的波達(dá)角度和極化參數(shù)的估計(jì)。
[0025] 進(jìn)一步地，基于特征值和所述特征向量，獲得入射信號(hào)的波達(dá)角度和極化參數(shù)的 估計(jì)，具體包括：
[0026] 基于特征值，獲得入射信號(hào)的波達(dá)角度；
[0027] 基于由特征值構(gòu)成的特征值矩陣，以及由特征向量構(gòu)成的特征向量矩陣，獲得與 第一子矩陣對(duì)應(yīng)的第一導(dǎo)向矢量子矩陣的估計(jì)；
[0028] 基于第一導(dǎo)向矢量子矩陣的估計(jì)，獲得入射信號(hào)的極化相角的估計(jì)和極化相位差 的估計(jì)。
[0029] 本發(fā)明的有益效果是：通過將電偶極子對(duì)構(gòu)成的極化敏感陣列中各陣元分量分散 放置于空間內(nèi)，形成分布極化敏感陣列，不僅能夠減少陣元間互耦的影響，提高了系統(tǒng)的性 能，還避免了同時(shí)利用電偶極子和磁偶極子形成極化敏感陣列所帶來的信息冗余，獲得更 多的入射信號(hào)電磁信息，能夠有效減少系統(tǒng)的硬件成本，并且降低了實(shí)現(xiàn)參數(shù)聯(lián)合估計(jì)的 復(fù)雜度；
[0030] 通過將信號(hào)子空間劃分為第一子矩陣和第二子矩陣，利用第一子矩陣和第二子矩 陣之間的旋轉(zhuǎn)不變性，獲得入射信號(hào)的波達(dá)角度和極化參數(shù)的估計(jì)，能夠使得波達(dá)角度和 極化參數(shù)之間自動(dòng)配對(duì)，無需額外的參數(shù)配對(duì)過程，進(jìn)一步降低了參數(shù)聯(lián)合估計(jì)的復(fù)雜度， 減少了計(jì)算量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031] 圖1是本發(fā)明基于分布式極化敏感陣列的參數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法的流程圖；
[0032] 圖2是本發(fā)明的分布式極化敏感陣列的位置的示意圖；
[0033] 圖3是本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)中的共點(diǎn)式極化敏感陣列基于相同通道數(shù)下的波達(dá)角 度估計(jì)的性能對(duì)比圖；
[0034] 圖4是本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)中的標(biāo)量陣列基于相同陣元數(shù)下的極化相角估計(jì)的性 能對(duì)比圖。

【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0036] 本申請(qǐng)的基于分布式極化敏感陣列的參數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法，包括：將由電偶極子對(duì) 構(gòu)成的極化敏感陣列中各陣元分量分散放置于空間內(nèi)，從而形成分布式極化敏感陣列；按 照陣元的前后順序，將分布式極化敏感陣列劃分為第一子陣列和第二子陣列；在分布式極 化敏感陣列接收到入射信號(hào)后，獲得入射信號(hào)的協(xié)方差矩陣；基于所述協(xié)方差矩陣，構(gòu)造信 號(hào)子空間；按照矩陣中行數(shù)的前后順序，將由矩陣構(gòu)成的所述信號(hào)子空間劃分為第一子矩 陣和第二子矩陣；利用第一子矩陣和第二子矩陣之間的旋轉(zhuǎn)不變性，獲得入射信號(hào)的波達(dá) 角度和極化參數(shù)的估計(jì)。
[0037] 通過將電偶極子對(duì)構(gòu)成的極化敏感陣列中各陣元分量分散放置于空間內(nèi)，形成分 布極化敏感陣列，不僅能夠減少陣元間互耦的影響，提高了系統(tǒng)的性能，還避免了同時(shí)利用 電偶極子和磁偶極子形成極化敏感陣列所帶來的信息冗余，獲得更多的入射信號(hào)電磁信 息，能夠有效減少系統(tǒng)的硬件成本，并且降低了實(shí)現(xiàn)參數(shù)聯(lián)合估計(jì)的復(fù)雜度。通過將信號(hào)子 空間劃分為第一子矩陣和第二子矩陣，利用第一子矩陣和第二子矩陣之間的旋轉(zhuǎn)不變性， 獲得入射信號(hào)的波達(dá)角度和極化參數(shù)的估計(jì)，能夠使得波達(dá)角度和極化參數(shù)之間自動(dòng)配 對(duì)，無需額外的參數(shù)配對(duì)過程，進(jìn)一步降低了參數(shù)聯(lián)合估計(jì)的復(fù)雜度，減少了計(jì)算量。
[0038] 在本申請(qǐng)中，基于分布式極化敏感陣列的參數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法，如圖1所示，所述方 法包括：
[0039] 步驟101 :將由電偶極子對(duì)構(gòu)成的極化敏感陣列中各陣元分量分散放置于空間 內(nèi)，從而形成分布式極化敏感陣列。
[0040] 具體地，在建立的包括橫軸X軸和縱軸y軸的坐標(biāo)系中，極化敏感陣列中各陣元以 相同的間距分布放置于縱坐標(biāo)軸，電偶極子交替設(shè)置為平行于橫軸的方向和平行于縱軸的 方向。
[0041] 在具體實(shí)施過程中，極化敏感陣列為均勻線陣，各陣元分布放置于y軸，陣元間距 為d，d= λ/2，λ為入射信號(hào)的波長(zhǎng)。電偶極子對(duì)在拆分后，以第一方向和第二方向交替 的方式進(jìn)行放置，第一方向?yàn)槠叫杏赬軸的方向，第二方向?yàn)槠叫杏趛軸的方向，最后，形成 的分布式極化敏感陣列如圖2所示，其中，由于極化敏感陣列由電偶極子對(duì)構(gòu)成，因此，分 布式極化敏感陣列陣元個(gè)數(shù)Μ為偶數(shù)。
[0042] 在完成步驟101之后，本申請(qǐng)執(zhí)行步驟102 :按照陣元的前后順序，將所述分布式 極化敏感陣列劃分為第一子陣列和第二子陣列。
[0043] 具體的，劃分分布式極化敏感矩陣的前Μ-2個(gè)陣元為第一子陣列，后Μ-2個(gè)陣元為 第二子陣列。
[0044] 進(jìn)一步地，通過包含第一子陣列和第二子陣列的分布式極化敏感陣列接收入射信 號(hào)，并執(zhí)行步驟103:
[0045] 在所述分布式極化敏感陣列接收到入射信號(hào)后，獲得入射信號(hào)的協(xié)方差矩陣。
[0046] 在具體實(shí)施過程中，一般首先用Ν次快拍采樣，使Μ陣元的分布式極化敏感陣列接 收Ν快拍的數(shù)據(jù)，再利用時(shí)間平均來代替統(tǒng)計(jì)平均，對(duì)入射信號(hào)的協(xié)方差矩陣進(jìn)行估計(jì)乂， 即：

【權(quán)利要求】
1. 基于分布式極化敏感陣列的參數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法，其特征在于，所述方法包括： 將由電偶極子對(duì)構(gòu)成的極化敏感陣列中各陣元分量分散放置于空間內(nèi)，從而形成分布 式極化敏感陣列； 按照陣元的前后順序，將分布式極化敏感陣列劃分為第一子陣列和第二子陣列； 在分布式極化敏感陣列接收到入射信號(hào)后，獲得入射信號(hào)的協(xié)方差矩陣； 基于所述協(xié)方差矩陣，構(gòu)造信號(hào)子空間； 按照矩陣中行數(shù)的前后順序，將由矩陣構(gòu)成的所述信號(hào)子空間劃分為第一子矩陣和第 二子矩陣； 利用第一子矩陣和第二子矩陣之間的旋轉(zhuǎn)不變性，獲得入射信號(hào)的波達(dá)角度和極化參 數(shù)的估計(jì)。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于分布式極化敏感陣列的參數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法，其特征在于， 所述將由電偶極子對(duì)構(gòu)成的極化敏感陣列中各陣元分量分散放置于空間內(nèi)，具體為： 在建立的包括橫軸和縱軸的坐標(biāo)系中，極化敏感陣列中各陣元以相同的間距分布放置 于縱坐標(biāo)軸，電偶極子交替設(shè)置為平行于橫軸的方向和平行于縱軸的方向。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于分布式極化敏感陣列的參數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法，其特征在于， 當(dāng)分布式極化敏感陣列包括Μ個(gè)陣元時(shí)，按照陣元的前后順序，將分布式極化敏感陣列劃 分為第一子陣列和第二子陣列，具體為： 劃分分布式極化敏感陣列的前Μ-2個(gè)陣元為第一子陣列，劃分分布式極化敏感陣列的 后Μ-2個(gè)陣元為第二子陣列。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于分布式極化敏感陣列的參數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法，其特征在于， 所述基于所述協(xié)方差矩陣，構(gòu)造信號(hào)子空間，具體包括： 對(duì)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解，構(gòu)造信號(hào)子空間。
5. 如權(quán)利要求3所述的基于分布式極化敏感陣列的參數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法，其特征在于， 按照矩陣中行數(shù)的前后順序，將由矩陣構(gòu)成的所述信號(hào)子空間劃分為第一子矩陣和第二子 矩陣，具體為： 劃分信號(hào)子空間中的矩陣的前Μ-2行構(gòu)成第一子矩陣，劃分信號(hào)子空間中的矩陣的后 Μ-2行構(gòu)成第二子矩陣。
6. 如權(quán)利要求3所述的基于分布式極化敏感陣列的參數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法，其特征在于， 利用第一子矩陣和第二子矩陣之間的旋轉(zhuǎn)不變性，獲得入射信號(hào)的波達(dá)角度和極化參數(shù)的 估計(jì)，具體包括： 基于總體最小二乘法旋轉(zhuǎn)不變法，獲得第一子矩陣和第二子矩陣之間的旋轉(zhuǎn)不變特性 參數(shù)； 對(duì)所述旋轉(zhuǎn)不變特性參數(shù)進(jìn)行特征值分解，得到特征值和與所述特征值對(duì)應(yīng)的特征向 量； 基于特征值和所述特征向量，獲得入射信號(hào)的波達(dá)角度和極化參數(shù)的估計(jì)。
7. 如權(quán)利要求6所述的基于分布式極化敏感陣列的參數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法，其特征在于， 基于特征值和所述特征向量，獲得入射信號(hào)的波達(dá)角度和極化參數(shù)的估計(jì)，具體包括： 基于特征值，獲得入射信號(hào)的波達(dá)角度； 基于由特征值構(gòu)成的特征值矩陣，以及由特征向量構(gòu)成的特征向量矩陣，獲得與第一 子矩陣對(duì)應(yīng)的第一導(dǎo)向矢量子矩陣的估計(jì)； 基于第一導(dǎo)向矢量子矩陣的估計(jì)，獲得入射信號(hào)的極化相角的估計(jì)和極化相位差的估 計(jì)。
【文檔編號(hào)】G01S7/36GK104122533SQ201410366085
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】錢江, 李道通, 蘇洲陽, 劉劍剛, 賈勇, 沈煬, 黃聰 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)