专利名称：基于非同心电磁矢量阵列雷达的两维波达方向估计方法
技术领域：
本发明属于阵列信号处理技术领域，涉及极化阵列雷达的两维波达方向估计，可用于目标定位与跟踪。
背景技术：
阵列信号处理是现代信号处理的一个重要研究分支，其应用涉及到雷达、通信、生物医学工程以及声呐等多个领域。而波达方向估计是阵列信号处理中最主要的研究方向之一。近30年来，针对阵列天线的波达方向估计方面涌现出了大量的研究成果，代表性成果有:Capon、多重信号分类MUSIC、旋转不变子空间技术ESPRIT、最大似然和子空间拟合等算法。常规阵列天线能够得到入射信号的时域和空域信息，而极化天线能够额外的提供一维信息即极化域信息，因此在过去的20多年间受到了广泛的关注。其中受到广泛研究和应用的极化天线类型主要有:(I)三正交电偶极子或电磁环；(2 )双正交电偶极子，其够成的阵列称为极化敏感阵列；(3)六个分量同心的电磁矢量传感器，通常由相位中心重合的三个正交电偶极子和三个正交磁环组成。针对电磁矢量传感器及其阵列，Ho和Tan等研究了阵列流形独立性的问题，定量的给出了独立条件。在阵列流形独立的前提下，众多针对标量阵列的波达方向估计方法已被应用于电磁矢量传感器阵列。其中经典的算法有:基于单个电磁矢量传感器的矢量叉乘算算法；基于稀疏矢量阵列的无模糊高精度波达方向估计算法；基于电磁矢量传感器中任意三个分量和任意四个分量的波达方向估计算法；基于多元数，如四元数、八元数、四四元数的波达方向估计算法；基于平行因子分析和传播算子的波达方向估计算法；相干信号源入射条件下，基于极化平滑及其改进的波达方向估计算法。上述研究表明电磁矢量传感器独特的时、空、极化之信息多维性，使电磁矢量传感器阵列拥有诸多标量阵列所不具有的优势，令其具有重要的军用、民事应用价值和广泛的应用前景，尤其在雷达辐射源识别、目标跟踪和精确制导等。但是，上述研究均是建立在相位中心重合的电磁矢量传感器上，即物理结构上同心，这样一个复杂的多极化天线要求各个电磁分量之间具有非常严格的电磁隔离，要做到相对较低的互耦，硬件实现的复杂性大大增加。See等人于2003年首次提出了非同心电磁矢量传感器，阐述了其在硬件实现和波达方向估计方面的诸多好处:在保持同心电磁矢量传感器诸多优势的同时，多极化分量天线在空间上分开，降低互耦、节省电磁隔离的开销。Monte等人于2006年研究了非同心电磁矢量传感器的硬件设计与实现，进一步阐明非同心电磁矢量传感器较同心电磁矢量传感器更容易实现。这些针对非同心电磁矢量传感器的研究均未涉及到具体波达方向估计算法，Wong和Yuan于2011年成功实现了矢量叉乘算法在单个非同心电磁矢量传感器中的应用，填补了该领域的空白，使得电磁矢量传感器在工程上的大规模应用成为可能，但该算法仍存在四个缺陷:一是由于是单个非同心电磁矢量传感器，接收数据协方差矩阵秩不能超过6，最多可估计目标个数为5个；二是该算法由于是建立在时间域旋转不变性的基础上，所以对入射信号源的形式要求较苛刻，必须为单频信号且频率各不相同；三是该算法只能得到其中一维方向余弦的高精度估计，不能得到两维波达方向高精度估计；四是若需要更高精度波达方向估计时，如在末制导雷达中，单个非同心电磁矢量传感器天线是无法满足要求的。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种基于非同心电磁矢量阵列雷达的两维波达方向估计方法，把单个非同心电磁矢量雷达推广至非同心电磁矢量阵列雷达，以得到多于5个目标的两维波达方向高精度估计值，便于对多目标进行高精度定位与跟踪。为实现上述目的，本发明的技术思路是:利用稀疏均匀矩形非同心电磁矢量阵列的旋转不变性得到周期性模糊的两维波达方向估计，通过矢量叉乘求模算法解模糊得到无模糊的两维波达方向高精度估计。具体实现步骤包括如下:I)根据稀疏均匀矩形非同心电磁矢量传感器的阵列结构，得到每个非同心电磁矢量传感器的接收数据xm,n(t), m, =1，…，Μ, η = I,…，N,其中M为χ轴方向非同心电磁矢量传感器个数，NS y轴方向非同心电磁矢量传感器个数；将所有xm,n(t)排列成矢量形式，构成整个阵列的接收数据X (t)；2)根据接收数据x(t)，利用最大似然估计得到协方差矩阵
权利要求
1.一种基于非同心电磁矢量阵列雷达的两维波达方向估计方法，包括如下步骤: 1)根据稀疏均匀矩形非同心电磁矢量传感器的阵列结构，得到每个非同心电磁矢量传感器的接收数据xm,n(t), m, =1，…，Μ, η = I,…，N,其中M为χ轴方向非同心电磁矢量传感器个数，NS y轴方向非同心电磁矢量传感器个数；将所有xm,n(t)排列成矢量形式，构成整个阵列的接收数据X (t)； 2)根据接收数据x(t)，利用最大似然估计得到协方差矩阵
2.根据权利要求1所述的基于非同心电磁矢量阵列雷达的两维波达方向估计方法，其中步骤I)所述的将所有xm,n(t)排列成矢量形式，构成整个阵列的接收数据x(t)，按如下步骤进行: .1.1)将非同心电磁矢量传感器的接收数据Xm,n(t)展开为
全文摘要
本发明公开了一种基于非同心电磁矢量阵列雷达的两维波达方向估计方法，主要解决极化阵列雷达对目标定位和跟踪过程中互耦严重、估计精度低的问题，其实现过程是1)构造稀疏均匀非同心电磁矢量传感器阵列的接收数据；2)对接收数据进行特征值分解求得信号子空间；3)针对信号子空间构造旋转不变关系方程，并利用最小二乘算法求得模糊方向余弦精估计；4)利用信号子空间求得无模糊方向余弦粗估计；5)结合模糊方向余弦精估计和无模糊方向余弦粗估计，得到两维波达方向估计。本发明在不增加阵元数和硬件复杂度情况下有效扩展了阵列物理孔径，使得两维波达方向的估计精度大大增加，可用于雷达对目标的精确定位与跟踪。
文档编号G01S13/06GK103091671SQ201310014610
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月15日 优先权日2013年1月15日
发明者陈伯孝, 郑桂妹, 杨明磊, 杨威, 郭维娜 申请人:西安电子科技大学