一种分离度增强的混合极化信号波达方向快速估计方法

本发明涉及一种分离度增强的混合极化信号波达方向快速估计方法，属于阵列信号处理。

背景技术：

1、阵列信号处理通过在时域观测数据的基础上引入空域观测数据，使得信号分析能力大大增强。针对电磁信号，空域观测数据通过天线构成的阵列进行信号接收并采样得到。阵列信号处理广泛应用于军用和民用领域，如电磁信号侦察、频谱监测等。电磁信号具有极化信息。为了能充分利用信号的极化信息并增加对信号极化的分析能力，需引入多极化阵列，即由多种极化天线构成的阵列。信号的极化可分为完全极化和部分极化，前者对应信号极化固定，后者表示信号极化特征随时间变化。完全极化信号较为常见，但随着对信号极化维度的利用等因素，变极化信号也越来越普遍。如为了增加通信安全性和增加信道容量等目的，极化捷变信号常被运用。因此，对于信号侦察和频谱监测等应用，十分有必要考虑完全极化信号和部分极化信号同时存在的场景。我们称这类场景为混合极化场景。

2、信号波达方向估计是侦察和监测等任务需获取的重要参数。关于混合极化条件下信号波达方向估计的文献目前只有零星几篇，如文献1(j.he,l.li,t.shu,directionfinding of mixed fully and partially polarized sources using linear coldarrays,signal processing,2021,vol.178,no.107815.)和文献2(k.ho,k.tan,a.nehorai,estimating directions of arrival of completely and incompletelypolarized signals with electromagnetic vector sensors,ieee trans.on signalprocessing,1999,vol.47,no.10,pp.2845-2852.)。文献1首先用root-music算法估计部分极化信号的波达方向，然后利用斜投影消除部分极化信号，最后再估计剩余的完全极化信号的波达方向。但是，一方面，估计部分极化信号时会存在完全极化信号的泄露影响；另一方面，有限快拍数导致斜投影矩阵存在误差，使得完全极化信号不能完全被消除。这两个因素将导致部分极化信号和完全极化信号的分离度不够，影响波达方向估计精度。文献2是在一个基于esprit算法的完全极化信号波达方向估计方法基础上进行了稍许附加处理，只是利用特征值是否接近来判别是否属于部分极化信号分量。因此，文献2并没有充分利用混合极化信号的特征。

技术实现思路

1、为了克服现有研究的不足，本发明提供了一种分离度增强的混合极化信号波达方向快速估计方法。

2、一种分离度增强的混合极化信号波达方向快速估计方法的具体步骤如下：

3、步骤一：多极化阵列布阵：在三维直角坐标系的某一个坐标轴上放置2个子阵，每个子阵为m元均匀线阵，且各子阵的阵元间距相同，表示为d。其中一个子阵的阵元由z方向极化的电偶极子天线构成，另一个子阵的阵元由z方向极化的磁偶极子天线构成。两个子阵可重叠，也可不重叠。

4、步骤二：多极化阵列输出建模：假设k个远场窄带不相关信号从波达方向θ1,θ2,...,θk入射至阵列，其中包含k1个完全极化信号和k2个部分极化信号，k＝k1+k2。对阵列输出进行采样，第n个快拍的阵列总输出可表示为其中表示复数集合，(·)t表示转置操作，xp[n]表示在第n个快拍由第p种极化天线构成的子阵输出，p＝1,2,n表示总的采样快拍数。

5、步骤三：部分极化信号波达方向快速估计：首先，计算阵列协方差矩阵其中(·)h表示复共轭转置操作。然后，对ry进行特征分解，取对应2m-k1-2*k2个最小特征值的2m-k1-2*k2个特征向量构成矩阵u。令un＝[u1:m,:,um+1:2m,:]，其中，u1:m,:与um+1:2m,:分别为u的前m行与后m行构成的矩阵。将un看作噪声子空间，执行root-music算法，输出k个波达方向估计值k个波达方向估计对应k1个完全极化信号和k2个部分极化信号，且k2个部分极化信号的波达方向估计值为高精度估计。

6、步骤四：低精度完全极化信号波达方向剔除：计算其中表示克罗内克积，i2表示2阶单位矩阵，为导向矢量，λ为信号波长。找出中的k1个最大值，剔除对应的k1个波达方向估计值。剩下的k2个波达方向估计值为高精度的部分极化信号波达方向估计值，将其表示为其中，||·||2表示矩阵的2范数。

7、步骤五：斜投影矩阵初始化：首先，计算平滑协方差矩阵和阵列流型并将rx投影到的正交补空间，得到其中为到列空间的正交补投影矩阵。然后，对rx′进行奇异值分解，取对应k1个最小奇异值的k1个右奇异矢量构成矩阵v。最后，斜投影矩阵t初始化为其中为到矩阵v的列空间的正交补投影矩阵。

8、步骤六：基于斜投影迭代的完全极化信号波达方向估计：在第q次迭代过程中，首先，计算投影协方差矩阵rt＝(im-t(q))rx(im-t(q))h，其中，t(q)表示第q次迭代的斜投影矩阵，im表示m阶单位矩阵。对rt进行特征分解，取对应m-k1个最小特征值的m-k1个特征向量构成矩阵u′。然后，将u′看作噪声子空间，执行root-music算法，输出k1个波达方向估计值最后，计算其中，为到列空间的正交补投影矩阵。接着在第q+1次迭代过程中，将t(q)替换为t(q+1)，其余不变。其中，第1次迭代过程中t(1)＝t。迭代收敛后，即可得到对应完全极化信号的k1个波达方向估计值。

9、进一步地，步骤一中，当孔径尺寸足够时，两个子阵不重叠；当孔径尺寸存在限制时，两个子阵部分重叠或完全重叠。

10、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

11、1、本发明提出的混合极化条件下的波达方向估计方法消除了完全极化信号泄露的影响，并利用迭代计算提升了斜投影矩阵的精度，使得完全极化信号和部分极化信号的分离度得到增强。

12、2、本发明提出的混合极化条件下的波达方向估计方法充分利用了混合极化信号的特征，使得其具有高的波达方向估计精度。

13、3、本发明提出的方法无需进行空域搜索，因此具有算法执行速度快的特点。

技术特征：

1.一种分离度增强的混合极化信号波达方向快速估计方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种分离度增强的混合极化信号波达方向快速估计方法，其特征在于：所述步骤一中当孔径尺寸足够时，两个子阵不重叠；当孔径尺寸存在限制时，两个子阵部分重叠或完全重叠。

技术总结
本发明涉及一种分离度增强的混合极化信号波达方向快速估计方法，包括以下步骤：多极化阵列布阵；多极化阵列输出建模；部分极化信号波达方向快速估计；低精度完全极化信号波达方向剔除；斜投影矩阵初始化；基于斜投影迭代的完全极化信号波达方向估计。本发明的优势在于，首先，本发明方法消除了完全极化信号泄露的影响，并利用迭代计算提升了斜投影矩阵的精度，使得完全极化信号和部分极化信号的分离度得到增强；其次，本发明方法充分利用了混合极化信号的特征，使得其具有高的波达方向估计精度；最后，本发明方法无需进行空域搜索，因此具有算法执行速度快的特点。

技术研发人员：潘玉剑,杨阿锋,刘晴
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15