基于分布式極化敏感陣列的參數聯合估計方法
【專利摘要】本發明提供基于分布式極化敏感陣列的參數聯合估計方法，所述方法包括：將由電偶極子對構成的極化敏感陣列中各陣元分量分散放置于空間內，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后，獲得入射信號的協方差矩陣；基于所述協方差矩陣，構造信號子空間；按照矩陣中行數的前后順序，將由矩陣構成的所述信號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不變性，獲得入射信號的波達角度和極化參數的估計。
【專利說明】基于分布式極化敏感陣列的參數聯合估計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及陣列信號處理領域，尤其是涉及基于分布式極化敏感陣列的參數聯合 估計方法。
【背景技術】
[0002] -個完備的電磁矢量傳感器由空間放置的3個電偶極子和3個磁偶極子構成，它 們在空間共點放置相互正交，從而形成極化敏感陣列，可以接收入射電磁波全部的電場分 量和磁場分量，因而相較于傳統的標量陣列，極化敏感陣列可以接收更多的入射信號的信 息。又，極化敏感陣列能夠感應入射信號的極化信息，從而獲得入射電磁信號的極化參數。 然而，傳統的標量陣列卻由于不能感應入射信號的極化信息，而無法獲得入射電磁信號的 極化參數。并且，極化敏感陣列還可以同時感應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估計還是自適應波束的形成，其都具有比傳統標量陣列 更優越的系統性能。
[0003] 在極化敏感陣列的應用中，利用電場、磁場和坡印廷矢量之間的矢量關系，當空間 放置有單個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獲得最多5個不相 關信號的波達角度（D0A)和極化參數的估計，因此，在空間物理孔徑受限的場合具有重要 的意義。
[0004] 然而，針對極化敏感陣列的信號處理，大多假設各個陣元由2至6個共點放置的相 互正交的電偶極子或磁偶極子構成，因此，各極子在空間共點放置不可避免的會有嚴重的 互耦效應，互耦效應會降低天線系統的性能。
[0005] 陣元間的互耦現象是不可避免的，為了有效減少陣元各共點通道之間互耦的相互 影響，現有技術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 元共點分量在空間分散放置，其能夠使陣元間的互耦效應大大降低，同時也可以感應入射 電磁波的電場信息和極化信息。現有的針對分布式極化敏感陣列的參數估計方法大多針對 完備的電磁矢量傳感器，即在空間分散放置3個電偶極子和3個磁偶極子，然后再利用改進 的矢量叉乘的方法來完成參數估計。然而，在實際中，由于空間電場和磁場是時變的，時變 的電場能夠產生磁場，時變的磁場能夠產生電場，同時利用電偶極子和磁偶極子來形成極 化敏感陣列，存在一定的冗余關系。
【發明內容】
[0006] 為克服上述缺陷，本發明提供基于分布式極化敏感陣列的參數聯合估計方法，所 述方法包括：
[0007] 將由電偶極子對構成的極化敏感陣列中各陣元分量分散放置于空間內，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后，獲得入射信號的協方差矩陣；
[0010] 基于所述協方差矩陣，構造信號子空間；
[0011] 按照矩陣中行數的前后順序，將由矩陣構成的所述信號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不變性，獲得入射信號的波達角度和極 化參數的估計。
[0013] 進一步地，所述將由電偶極子對構成的極化敏感陣列中各陣元分量分散放置于空 間內，具體為：
[0014] 在建立的包括橫軸和縱軸的坐標系中，極化敏感陣列中各陣元以相同的間距分布 放置于縱坐標軸，電偶極子交替設置為平行于橫軸的方向和平行于縱軸的方向。
[0015] 進一步地，當分布式極化敏感陣列包括Μ個陣元時，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個陣元為第一子陣列，劃分分布式極化敏感陣 列的后Μ-2個陣元為第二子陣列。
[0017] 進一步地，所述基于所述協方差矩陣，構造信號子空間，具體包括：
[0018] 對協方差矩陣進行特征值分解，構造信號子空間。
[0019] 進一步地，按照矩陣中行數的前后順序，將由矩陣構成的所述信號子空間劃分為 第一子矩陣和第二子矩陣，具體為：
[0020] 劃分信號子空間中的矩陣的前Μ-2行構成第一子矩陣，劃分信號子空間中的矩陣 的后Μ-2行構成第二子矩陣。
[0021] 進一步地，利用第一子矩陣和所第二子矩陣之間的旋轉不變性，獲得入射信號的 波達角度和極化參數的估計，具體包括：
[0022] 基于總體最小二乘法旋轉不變法，獲得第一子矩陣和第二子矩陣之間的旋轉不變 特性參數；
[0023] 對所述旋轉不變特性參數進行特征值分解，得到特征值和與所述特征值對應的特 征向量；
[0024] 基于特征值和所述特征向量，獲得入射信號的波達角度和極化參數的估計。
[0025] 進一步地，基于特征值和所述特征向量，獲得入射信號的波達角度和極化參數的 估計，具體包括：
[0026] 基于特征值，獲得入射信號的波達角度；
[0027] 基于由特征值構成的特征值矩陣，以及由特征向量構成的特征向量矩陣，獲得與 第一子矩陣對應的第一導向矢量子矩陣的估計；
[0028] 基于第一導向矢量子矩陣的估計，獲得入射信號的極化相角的估計和極化相位差 的估計。
[0029] 本發明的有益效果是：通過將電偶極子對構成的極化敏感陣列中各陣元分量分散 放置于空間內，形成分布極化敏感陣列，不僅能夠減少陣元間互耦的影響，提高了系統的性 能，還避免了同時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 多的入射信號電磁信息，能夠有效減少系統的硬件成本，并且降低了實現參數聯合估計的 復雜度；
[0030] 通過將信號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 陣之間的旋轉不變性，獲得入射信號的波達角度和極化參數的估計，能夠使得波達角度和 極化參數之間自動配對，無需額外的參數配對過程，進一步降低了參數聯合估計的復雜度， 減少了計算量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031] 圖1是本發明基于分布式極化敏感陣列的參數聯合估計方法的流程圖；
[0032] 圖2是本發明的分布式極化敏感陣列的位置的示意圖；
[0033] 圖3是本發明與現有技術中的共點式極化敏感陣列基于相同通道數下的波達角 度估計的性能對比圖；
[0034] 圖4是本發明與現有技術中的標量陣列基于相同陣元數下的極化相角估計的性 能對比圖。
【具體實施方式】
[0035] 下面結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細描述。
[0036] 本申請的基于分布式極化敏感陣列的參數聯合估計方法，包括：將由電偶極子對 構成的極化敏感陣列中各陣元分量分散放置于空間內，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后，獲得入射信號的協方差矩陣；基于所述協方差矩陣，構造信 號子空間；按照矩陣中行數的前后順序，將由矩陣構成的所述信號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不變性，獲得入射信號的波達 角度和極化參數的估計。
[0037] 通過將電偶極子對構成的極化敏感陣列中各陣元分量分散放置于空間內，形成分 布極化敏感陣列，不僅能夠減少陣元間互耦的影響，提高了系統的性能，還避免了同時利用 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電磁信 息，能夠有效減少系統的硬件成本，并且降低了實現參數聯合估計的復雜度。通過將信號子 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不變性， 獲得入射信號的波達角度和極化參數的估計，能夠使得波達角度和極化參數之間自動配 對，無需額外的參數配對過程，進一步降低了參數聯合估計的復雜度，減少了計算量。
[0038] 在本申請中，基于分布式極化敏感陣列的參數聯合估計方法，如圖1所示，所述方 法包括：
[0039] 步驟101 :將由電偶極子對構成的極化敏感陣列中各陣元分量分散放置于空間 內，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軸，電偶極子交替設置為平行于橫軸的方向和平行于縱軸的 方向。
[0041] 在具體實施過程中，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為入射信號的波長。電偶極子對在拆分后，以第一方向和第二方向交替 的方式進行放置，第一方向為平行于X軸的方向，第二方向為平行于y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構成，因此，分 布式極化敏感陣列陣元個數Μ為偶數。
[0042] 在完成步驟101之后，本申請執行步驟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個陣元為第一子陣列，后Μ-2個陣元為 第二子陣列。
[0044] 進一步地，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，并執行步驟103:
[0045] 在所述分布式極化敏感陣列接收到入射信號后，獲得入射信號的協方差矩陣。
[0046] 在具體實施過程中，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快拍的數據，再利用時間平均來代替統計平均，對入射信號的協方差矩陣進行估計乂， 即：
【權利要求】
1. 基于分布式極化敏感陣列的參數聯合估計方法，其特征在于，所述方法包括： 將由電偶極子對構成的極化敏感陣列中各陣元分量分散放置于空間內，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后，獲得入射信號的協方差矩陣； 基于所述協方差矩陣，構造信號子空間； 按照矩陣中行數的前后順序，將由矩陣構成的所述信號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不變性，獲得入射信號的波達角度和極化參 數的估計。
2. 如權利要求1所述的基于分布式極化敏感陣列的參數聯合估計方法，其特征在于， 所述將由電偶極子對構成的極化敏感陣列中各陣元分量分散放置于空間內，具體為： 在建立的包括橫軸和縱軸的坐標系中，極化敏感陣列中各陣元以相同的間距分布放置 于縱坐標軸，電偶極子交替設置為平行于橫軸的方向和平行于縱軸的方向。
3. 如權利要求1所述的基于分布式極化敏感陣列的參數聯合估計方法，其特征在于， 當分布式極化敏感陣列包括Μ個陣元時，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個陣元為第一子陣列，劃分分布式極化敏感陣列的 后Μ-2個陣元為第二子陣列。
4. 如權利要求1所述的基于分布式極化敏感陣列的參數聯合估計方法，其特征在于， 所述基于所述協方差矩陣，構造信號子空間，具體包括： 對協方差矩陣進行特征值分解，構造信號子空間。
5. 如權利要求3所述的基于分布式極化敏感陣列的參數聯合估計方法，其特征在于， 按照矩陣中行數的前后順序，將由矩陣構成的所述信號子空間劃分為第一子矩陣和第二子 矩陣，具體為： 劃分信號子空間中的矩陣的前Μ-2行構成第一子矩陣，劃分信號子空間中的矩陣的后 Μ-2行構成第二子矩陣。
6. 如權利要求3所述的基于分布式極化敏感陣列的參數聯合估計方法，其特征在于， 利用第一子矩陣和第二子矩陣之間的旋轉不變性，獲得入射信號的波達角度和極化參數的 估計，具體包括： 基于總體最小二乘法旋轉不變法，獲得第一子矩陣和第二子矩陣之間的旋轉不變特性 參數； 對所述旋轉不變特性參數進行特征值分解，得到特征值和與所述特征值對應的特征向 量； 基于特征值和所述特征向量，獲得入射信號的波達角度和極化參數的估計。
7. 如權利要求6所述的基于分布式極化敏感陣列的參數聯合估計方法，其特征在于， 基于特征值和所述特征向量，獲得入射信號的波達角度和極化參數的估計，具體包括： 基于特征值，獲得入射信號的波達角度； 基于由特征值構成的特征值矩陣，以及由特征向量構成的特征向量矩陣，獲得與第一 子矩陣對應的第一導向矢量子矩陣的估計； 基于第一導向矢量子矩陣的估計，獲得入射信號的極化相角的估計和極化相位差的估 計。
【文檔編號】G01S7/36GK104122533SQ201410366085
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】錢江, 李道通, 蘇洲陽, 劉劍剛, 賈勇, 沈煬, 黃聰 申請人:電子科技大學