基于分布式极化敏感阵列的参数联合估计方法
【专利摘要】本发明提供基于分布式极化敏感阵列的参数联合估计方法，所述方法包括：将由电偶极子对构成的极化敏感阵列中各阵元分量分散放置于空间内，从而形成分布式极化敏感阵列；按照阵元的前后顺序，将分布式极化敏感阵列划分为第一子阵列和第二子阵列；在分布式极化敏感阵列接收到入射信号后，获得入射信号的协方差矩阵；基于所述协方差矩阵，构造信号子空间；按照矩阵中行数的前后顺序，将由矩阵构成的所述信号子空间划分为第一子矩阵和第二子矩阵；利用第一子矩阵和第二子矩阵之间的旋转不变性，获得入射信号的波达角度和极化参数的估计。
【专利说明】基于分布式极化敏感阵列的参数联合估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及阵列信号处理领域，尤其是涉及基于分布式极化敏感阵列的参数联合 估计方法。
【背景技术】
[0002] -个完备的电磁矢量传感器由空间放置的3个电偶极子和3个磁偶极子构成，它 们在空间共点放置相互正交，从而形成极化敏感阵列，可以接收入射电磁波全部的电场分 量和磁场分量，因而相较于传统的标量阵列，极化敏感阵列可以接收更多的入射信号的信 息。又，极化敏感阵列能够感应入射信号的极化信息，从而获得入射电磁信号的极化参数。 然而，传统的标量阵列却由于不能感应入射信号的极化信息，而无法获得入射电磁信号的 极化参数。并且，极化敏感阵列还可以同时感应入射电磁波的极化信息和空域信息。因此， 极化敏感阵列不管是用于极化参数估计还是自适应波束的形成，其都具有比传统标量阵列 更优越的系统性能。
[0003] 在极化敏感阵列的应用中，利用电场、磁场和坡印廷矢量之间的矢量关系，当空间 放置有单个完备的电磁矢量传感器，利用该电磁矢量传感器就能够同时获得最多5个不相 关信号的波达角度（D0A)和极化参数的估计，因此，在空间物理孔径受限的场合具有重要 的意义。
[0004] 然而，针对极化敏感阵列的信号处理，大多假设各个阵元由2至6个共点放置的相 互正交的电偶极子或磁偶极子构成，因此，各极子在空间共点放置不可避免的会有严重的 互耦效应，互耦效应会降低天线系统的性能。
[0005] 阵元间的互耦现象是不可避免的，为了有效减少阵元各共点通道之间互耦的相互 影响，现有技术提出了分布式极化敏感阵列，分布式极化敏感阵列是将极化敏感阵列各阵 元共点分量在空间分散放置，其能够使阵元间的互耦效应大大降低，同时也可以感应入射 电磁波的电场信息和极化信息。现有的针对分布式极化敏感阵列的参数估计方法大多针对 完备的电磁矢量传感器，即在空间分散放置3个电偶极子和3个磁偶极子，然后再利用改进 的矢量叉乘的方法来完成参数估计。然而，在实际中，由于空间电场和磁场是时变的，时变 的电场能够产生磁场，时变的磁场能够产生电场，同时利用电偶极子和磁偶极子来形成极 化敏感阵列，存在一定的冗余关系。
【发明内容】
[0006] 为克服上述缺陷，本发明提供基于分布式极化敏感阵列的参数联合估计方法，所 述方法包括：
[0007] 将由电偶极子对构成的极化敏感阵列中各阵元分量分散放置于空间内，从而形成 分布式极化敏感阵列；
[0008] 按照阵元的前后顺序，将分布式极化敏感阵列划分为第一子阵列和第二子阵列；
[0009] 在分布式极化敏感阵列接收到入射信号后，获得入射信号的协方差矩阵；
[0010] 基于所述协方差矩阵，构造信号子空间；
[0011] 按照矩阵中行数的前后顺序，将由矩阵构成的所述信号子空间划分为第一子矩阵 和第二子矩阵；
[0012] 利用第一子矩阵和第二子矩阵之间的旋转不变性，获得入射信号的波达角度和极 化参数的估计。
[0013] 进一步地，所述将由电偶极子对构成的极化敏感阵列中各阵元分量分散放置于空 间内，具体为：
[0014] 在建立的包括横轴和纵轴的坐标系中，极化敏感阵列中各阵元以相同的间距分布 放置于纵坐标轴，电偶极子交替设置为平行于横轴的方向和平行于纵轴的方向。
[0015] 进一步地，当分布式极化敏感阵列包括Μ个阵元时，按照阵元的前后顺序，将分布 式极化敏感阵列划分为第一子阵列和第二子阵列，具体为：
[0016] 划分分布式极化敏感阵列的前Μ-2个阵元为第一子阵列，划分分布式极化敏感阵 列的后Μ-2个阵元为第二子阵列。
[0017] 进一步地，所述基于所述协方差矩阵，构造信号子空间，具体包括：
[0018] 对协方差矩阵进行特征值分解，构造信号子空间。
[0019] 进一步地，按照矩阵中行数的前后顺序，将由矩阵构成的所述信号子空间划分为 第一子矩阵和第二子矩阵，具体为：
[0020] 划分信号子空间中的矩阵的前Μ-2行构成第一子矩阵，划分信号子空间中的矩阵 的后Μ-2行构成第二子矩阵。
[0021] 进一步地，利用第一子矩阵和所第二子矩阵之间的旋转不变性，获得入射信号的 波达角度和极化参数的估计，具体包括：
[0022] 基于总体最小二乘法旋转不变法，获得第一子矩阵和第二子矩阵之间的旋转不变 特性参数；
[0023] 对所述旋转不变特性参数进行特征值分解，得到特征值和与所述特征值对应的特 征向量；
[0024] 基于特征值和所述特征向量，获得入射信号的波达角度和极化参数的估计。
[0025] 进一步地，基于特征值和所述特征向量，获得入射信号的波达角度和极化参数的 估计，具体包括：
[0026] 基于特征值，获得入射信号的波达角度；
[0027] 基于由特征值构成的特征值矩阵，以及由特征向量构成的特征向量矩阵，获得与 第一子矩阵对应的第一导向矢量子矩阵的估计；
[0028] 基于第一导向矢量子矩阵的估计，获得入射信号的极化相角的估计和极化相位差 的估计。
[0029] 本发明的有益效果是：通过将电偶极子对构成的极化敏感阵列中各阵元分量分散 放置于空间内，形成分布极化敏感阵列，不仅能够减少阵元间互耦的影响，提高了系统的性 能，还避免了同时利用电偶极子和磁偶极子形成极化敏感阵列所带来的信息冗余，获得更 多的入射信号电磁信息，能够有效减少系统的硬件成本，并且降低了实现参数联合估计的 复杂度；
[0030] 通过将信号子空间划分为第一子矩阵和第二子矩阵，利用第一子矩阵和第二子矩 阵之间的旋转不变性，获得入射信号的波达角度和极化参数的估计，能够使得波达角度和 极化参数之间自动配对，无需额外的参数配对过程，进一步降低了参数联合估计的复杂度， 减少了计算量。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 图1是本发明基于分布式极化敏感阵列的参数联合估计方法的流程图；
[0032] 图2是本发明的分布式极化敏感阵列的位置的示意图；
[0033] 图3是本发明与现有技术中的共点式极化敏感阵列基于相同通道数下的波达角 度估计的性能对比图；
[0034] 图4是本发明与现有技术中的标量阵列基于相同阵元数下的极化相角估计的性 能对比图。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细描述。
[0036] 本申请的基于分布式极化敏感阵列的参数联合估计方法，包括：将由电偶极子对 构成的极化敏感阵列中各阵元分量分散放置于空间内，从而形成分布式极化敏感阵列；按 照阵元的前后顺序，将分布式极化敏感阵列划分为第一子阵列和第二子阵列；在分布式极 化敏感阵列接收到入射信号后，获得入射信号的协方差矩阵；基于所述协方差矩阵，构造信 号子空间；按照矩阵中行数的前后顺序，将由矩阵构成的所述信号子空间划分为第一子矩 阵和第二子矩阵；利用第一子矩阵和第二子矩阵之间的旋转不变性，获得入射信号的波达 角度和极化参数的估计。
[0037] 通过将电偶极子对构成的极化敏感阵列中各阵元分量分散放置于空间内，形成分 布极化敏感阵列，不仅能够减少阵元间互耦的影响，提高了系统的性能，还避免了同时利用 电偶极子和磁偶极子形成极化敏感阵列所带来的信息冗余，获得更多的入射信号电磁信 息，能够有效减少系统的硬件成本，并且降低了实现参数联合估计的复杂度。通过将信号子 空间划分为第一子矩阵和第二子矩阵，利用第一子矩阵和第二子矩阵之间的旋转不变性， 获得入射信号的波达角度和极化参数的估计，能够使得波达角度和极化参数之间自动配 对，无需额外的参数配对过程，进一步降低了参数联合估计的复杂度，减少了计算量。
[0038] 在本申请中，基于分布式极化敏感阵列的参数联合估计方法，如图1所示，所述方 法包括：
[0039] 步骤101 :将由电偶极子对构成的极化敏感阵列中各阵元分量分散放置于空间 内，从而形成分布式极化敏感阵列。
[0040] 具体地，在建立的包括横轴X轴和纵轴y轴的坐标系中，极化敏感阵列中各阵元以 相同的间距分布放置于纵坐标轴，电偶极子交替设置为平行于横轴的方向和平行于纵轴的 方向。
[0041] 在具体实施过程中，极化敏感阵列为均匀线阵，各阵元分布放置于y轴，阵元间距 为d，d= λ/2，λ为入射信号的波长。电偶极子对在拆分后，以第一方向和第二方向交替 的方式进行放置，第一方向为平行于X轴的方向，第二方向为平行于y轴的方向，最后，形成 的分布式极化敏感阵列如图2所示，其中，由于极化敏感阵列由电偶极子对构成，因此，分 布式极化敏感阵列阵元个数Μ为偶数。
[0042] 在完成步骤101之后，本申请执行步骤102 :按照阵元的前后顺序，将所述分布式 极化敏感阵列划分为第一子阵列和第二子阵列。
[0043] 具体的，划分分布式极化敏感矩阵的前Μ-2个阵元为第一子阵列，后Μ-2个阵元为 第二子阵列。
[0044] 进一步地，通过包含第一子阵列和第二子阵列的分布式极化敏感阵列接收入射信 号，并执行步骤103:
[0045] 在所述分布式极化敏感阵列接收到入射信号后，获得入射信号的协方差矩阵。
[0046] 在具体实施过程中，一般首先用Ν次快拍采样，使Μ阵元的分布式极化敏感阵列接 收Ν快拍的数据，再利用时间平均来代替统计平均，对入射信号的协方差矩阵进行估计乂， 即：
【权利要求】
1. 基于分布式极化敏感阵列的参数联合估计方法，其特征在于，所述方法包括： 将由电偶极子对构成的极化敏感阵列中各阵元分量分散放置于空间内，从而形成分布 式极化敏感阵列； 按照阵元的前后顺序，将分布式极化敏感阵列划分为第一子阵列和第二子阵列； 在分布式极化敏感阵列接收到入射信号后，获得入射信号的协方差矩阵； 基于所述协方差矩阵，构造信号子空间； 按照矩阵中行数的前后顺序，将由矩阵构成的所述信号子空间划分为第一子矩阵和第 二子矩阵； 利用第一子矩阵和第二子矩阵之间的旋转不变性，获得入射信号的波达角度和极化参 数的估计。
2. 如权利要求1所述的基于分布式极化敏感阵列的参数联合估计方法，其特征在于， 所述将由电偶极子对构成的极化敏感阵列中各阵元分量分散放置于空间内，具体为： 在建立的包括横轴和纵轴的坐标系中，极化敏感阵列中各阵元以相同的间距分布放置 于纵坐标轴，电偶极子交替设置为平行于横轴的方向和平行于纵轴的方向。
3. 如权利要求1所述的基于分布式极化敏感阵列的参数联合估计方法，其特征在于， 当分布式极化敏感阵列包括Μ个阵元时，按照阵元的前后顺序，将分布式极化敏感阵列划 分为第一子阵列和第二子阵列，具体为： 划分分布式极化敏感阵列的前Μ-2个阵元为第一子阵列，划分分布式极化敏感阵列的 后Μ-2个阵元为第二子阵列。
4. 如权利要求1所述的基于分布式极化敏感阵列的参数联合估计方法，其特征在于， 所述基于所述协方差矩阵，构造信号子空间，具体包括： 对协方差矩阵进行特征值分解，构造信号子空间。
5. 如权利要求3所述的基于分布式极化敏感阵列的参数联合估计方法，其特征在于， 按照矩阵中行数的前后顺序，将由矩阵构成的所述信号子空间划分为第一子矩阵和第二子 矩阵，具体为： 划分信号子空间中的矩阵的前Μ-2行构成第一子矩阵，划分信号子空间中的矩阵的后 Μ-2行构成第二子矩阵。
6. 如权利要求3所述的基于分布式极化敏感阵列的参数联合估计方法，其特征在于， 利用第一子矩阵和第二子矩阵之间的旋转不变性，获得入射信号的波达角度和极化参数的 估计，具体包括： 基于总体最小二乘法旋转不变法，获得第一子矩阵和第二子矩阵之间的旋转不变特性 参数； 对所述旋转不变特性参数进行特征值分解，得到特征值和与所述特征值对应的特征向 量； 基于特征值和所述特征向量，获得入射信号的波达角度和极化参数的估计。
7. 如权利要求6所述的基于分布式极化敏感阵列的参数联合估计方法，其特征在于， 基于特征值和所述特征向量，获得入射信号的波达角度和极化参数的估计，具体包括： 基于特征值，获得入射信号的波达角度； 基于由特征值构成的特征值矩阵，以及由特征向量构成的特征向量矩阵，获得与第一 子矩阵对应的第一导向矢量子矩阵的估计； 基于第一导向矢量子矩阵的估计，获得入射信号的极化相角的估计和极化相位差的估 计。
【文档编号】G01S7/36GK104122533SQ201410366085
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】钱江, 李道通, 苏洲阳, 刘剑刚, 贾勇, 沈炀, 黄聪 申请人:电子科技大学