L型电磁矢量传感器阵列解相干ESPRIT参数估计方法技术

L型电磁矢量传感器阵列解相干ESPRIT参数估计方法，阵列接收K个相干窄带平稳远场电磁波信号，接收阵列获取N次同步采样数据；抽取x、y、z三个坐标轴的电偶极子子阵和磁偶极子子阵对应的6个子阵数据，通过子阵数据协方差矩阵处理恢复数据协方差矩阵的秩，得到解相干后的数据协方差矩阵；由解相干后的数据协方差矩阵特征分解得到信号子空间，根据阵列的结构特点，将信号子空间进行分块，利用分块后的信号子空间估计x、v方向旋转不变关系矩阵；并进而得到x和y轴方向的方向余弦，利用配对后的方向余弦得到二维到达角的估计；本发明专利技术利用电磁矢量传感器子阵的旋转不变特性解相干，不存在孔径损失的不足，参数配对方法简单有效，参数估计精度高。

Coherent ESPRIT parameter estimation method for L type electromagnetic vector sensor array

The ESPRIT parameter estimation method of coherent solutions of L type electromagnetic vector sensor array, K array coherent narrow-band far-field electromagnetic wave signal receiving array to obtain N time synchronous sampling data; 6 sub x, y, z from the three axes of the electric dipole and magnetic dipole array sub sub array corresponding to the array data. The sub array covariance matrix to recover the data processing and the rank of covariance matrix, obtained the data covariance matrix after the coherent signal subspace is obtained by the data; covariance matrix feature decorrelation after decomposition, according to the structure of the array, the signal subspace is divided into blocks, x, V direction estimation of rotation invariant relation matrix using signal sub block space; and then get the X and Y axis direction cosine, using paired direction cosine two-dimensional DOA estimation; the invention uses electromagnetic vector sensor The invariance of the rotation invariance of the subarray does not exist in the absence of aperture loss, and the parameter matching method is simple and effective, and the parameter estimation accuracy is high.

【技术实现步骤摘要】
L型电磁矢量传感器阵列解相干ESPRIT参数估计方法
本专利技术属于信号处理
，尤其涉及一种电磁矢量传感器阵列的相干源二维到达角估计方法。
技术介绍
相干信号源在实际生活中是普遍存在的，通信中的多径干扰问题就是其中之一，由于信号阵列会接收到不同方向上的相干信号，而相干信号会导致信源协方差矩阵的秩亏损，从而使得信号特征向量发散到噪声子空间去。相干信号波达方向估计的重要内容就是在从解决矩阵的秩亏损入手，即用什么办法将信号协方差矩阵的秩恢复到信号源的个数。其方法之一是在进行谱估计之前进行预处理，将协方差的秩恢复到信号源个数，这种处理称为去相干，而后再用传统非相干信号的处理方法进行空间谱估计。去相干预处理大致可分为两大类：一类是降维处理，它是通过牺牲有效阵列孔径来实现信号源的去相干，如平滑技术，前后向预测投影矩阵法，数据矩阵分解法；另一类是不损失阵元数，而利用移动阵列的方法或采用频率平滑法处理相干信号。以ESPRIT和MUSIC为代表的子空间类方法因为分辨率高而倍受青睐，但一般的ESPRIT方法无法直接应用与相干信号的参数估计中，而基于空间平滑的二维ESPRIT方法通过修正接收数据的协方差矩阵来实现解相干的目的，但空间平滑方法减小了阵列孔径，降低了阵列的分辨能力，且空间平滑一般只适用于均匀线阵，严重限制了方法的应用范围。电磁矢量传感器是一种新型阵列，它是由空间上共点且相互垂直的x轴、y轴和z轴方向的电偶极子和x轴、y轴和z轴方向的磁偶极子构成的。电磁矢量传感器阵列与标量传感器阵列相比较，有很多优点，电磁矢量传感器阵列不仅能够获取阵列孔径信息，而且蕴含矢量传感器各分量之间的正交极化信息，因而具有更高的空间分辨力和测向精度，近年来已成为国内外学者研究的热点问题。本专利技术针对空间平滑解相干方法的不足提出了适用于均匀L型电磁矢量传感器阵列解相干ESPRIT方法，利用了电磁矢量传感器阵列自身的矢量结构特性，将电磁矢量传感器阵列分成x轴、y轴和z轴方向的电偶极子子阵和x轴、y轴和z轴方向的磁偶极子子阵，然后通过子阵数据协方差矩阵算术平均解相干，然后利用数据协方差矩阵特征分解，在x轴和y轴方向分别利用ESPRIT方法估计得到x和y轴方向的方向余弦，然后通过配对得到信号到达角的估计。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种电磁矢量传感器阵列解相干二维到达角估计方法。为了实现上述目的，本专利技术采取如下的技术解决方案：L型电磁矢量传感器阵列解相干ESPRIT参数估计方法，K个相干窄带、平稳远场电磁波信号从不同的方向(θk，φk)入射到该接收阵列上，θk∈[0，π/2]是第k个信号的俯仰角，φk∈[0，2π]是第k个信号的方位角，所述阵列由2M-1个均匀分布于x轴和y轴的电磁矢量传感器构成，其中，M个阵元沿x轴均匀排列且阵元间隔为dx，M个阵元沿y轴均匀排列且阵元间隔dy，坐标原点的两轴共用，所述阵元是空间共点且相互垂直的x轴、y轴和z轴方向电偶极子和x轴、y轴和z轴方向的磁偶极子构成的电磁矢量传感器，所有传感器的对应通道相互平行：所有的x轴方向电偶极子相互平行，所有的y轴方向电偶极子相互平行，所有的z轴方向电偶极子相互平行，所有的x轴方向磁偶极子相互平行，所有的y轴方向磁偶极子相互平行，以及所有的z轴方向磁偶极子相互平行；相邻阵元间距dx≤λmin/2，dy≤λmin/2，λmin为入射电磁信号的最小波长；L型电磁矢量传感器阵列解相干ESPRIT参数估计方法步骤如下：步骤一、利用L型均匀电磁矢量传感器接收阵列，接收K个远场窄带相干源电磁波信号，接收阵列获取N次同步采样数据Z；步骤二、抽取x、y、z三个坐标轴的电偶极子子阵和x、y、z三个坐标轴的磁偶极子子阵，通过子阵数据协方差矩阵处理恢复数据协方差矩阵的秩，得到解相干后的数据协方差矩阵RZ；根据阵列数据Z的排布规律将数据分成x、y、z轴的电场子阵和x、y、z轴的磁场子阵数据Zex、Zey、Zez、Zhx、Zhy、Zhz，计算6个子阵数据的协方差矩阵和其中，通过6个子阵数据协方差矩阵的算术平均得到解相干后的满秩数据协方差矩阵RZ；步骤三、由解相干后的数据协方差矩阵RZ进行特征分解得到信号子空间Us，根据阵列的结构特点，将信号子空间进行分块，利用分块后的信号子空间分别在x、y轴方向利用ESPRIT估计旋转不变关系矩阵和根据阵列数据的排布规律，将信号子空间Us进行分块运算，信号子空间Us分成x轴子阵对应的信号子空间Usx和y轴子阵对应的子空间Usy，再将Usx分成x轴子阵的前M-1个阵元对应的信号子空间Usx1和后M-1个阵元对应的信号子空间Usx2，Usy分成y轴子阵的前M-1个阵元对应的信号子空间Usy1和后M-1个阵元对应的信号子空间Usy2，x轴上的两个均匀子阵满足的关系为Usx1＝Ax1T1，Usx2＝Ax2T1，Ax2＝Ax1Φx，其中，T1是K×K的非奇异变换矩阵，是旋转不变关系矩阵，Usy1＝Ay1T2，Usy2＝Ay2T2，Ay2＝Ay1Φy，其中，diag(·)表示以矩阵中元素为对角元素的对角矩阵，是旋转不变关系矩阵，且对进行特征分解，特征值构成旋转不变关系矩阵Φy的估计对进行特征分解，特征值构成旋转不变关系矩阵Φx的估计其中，步骤四、利用旋转不变关系矩阵的估计值和估计x轴方向余弦和y轴方向的方向余弦其中，利用配对后的方向余弦和得到到达角的估计值和x和y轴方向的旋转不变关系矩阵和是由两次独立的特征分解得到，和中信号的排列顺序一般不同，由矩阵和估计得到的x轴方向余弦矩阵和y轴方向余弦矩阵中信号的排列顺序也将不同，因此必须进行配对运算才能使同一个信号的x轴方向的方向余弦和y轴方向的方向余弦匹配成对，本专利技术根据同一个信号x轴方向余弦和y轴方向余弦构成的阵列导向矢量位于信号子空间，因此有利用这种方式对第k个y轴方向余弦进行配对，使得表达式最大的x轴方向余弦与y轴方向余弦配对成功，此时从而得到到达角的估计值为：前述步骤中的k＝1，...，K，l＝1，...，K，j表示虚数单位。本专利技术采用的L型接收阵列，阵列的阵元为空间共点的x轴、y轴和z轴方向电偶极子和x轴、y轴和z轴方向磁偶极子构成的电磁矢量传感器，所有传感器的对应通道相互平行：所有的x轴电偶极子相互平行，所有的y轴电偶极子相互平行，所有的z轴方向电偶极子相互平行，所有的x轴方向磁偶极子相互平行，所有的y轴方向磁偶极子相互平行，以及所有的z轴方向磁偶极子相互平行。本专利技术利用电磁矢量传感器自身具有的正交矢量特性，通过子阵的旋转不变特性解相干，结合阵列的结构特点给出了二维ESPRIT到达角估计方法并给出了一种简单有效的参数配对方法，弥补了空间平滑解相干方法的不足。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例电磁矢量传感器L阵的示意图；图2为本专利技术方法的流程图；图3为仿真实验的信噪比为0dB时到达角估计散布图；图4为仿真实验的信噪比为2dB时到达角估计散布图；图5为仿真实验的方位角估计均方根误本文档来自技高网...

【技术保护点】
L型电磁矢量传感器阵列解相干ESPRIT参数估计方法，其特征在于：所述阵列由2M‑1个均匀分布于x轴和y轴的电磁矢量传感器构成，其中，M个阵元沿x轴均匀排列且阵元间隔为d

【技术特征摘要】
1.L型电磁矢量传感器阵列解相干ESPRIT参数估计方法，其特征在于：所述阵列由2M-1个均匀分布于x轴和y轴的电磁矢量传感器构成，其中，M个阵元沿x轴均匀排列且阵元间隔为dx，M个阵元沿y轴均匀排列且阵元间隔dy，坐标原点的两轴共用，所述阵元是空间共点且相互垂直的x轴、y轴和z轴方向电偶极子和x轴、y轴和z轴方向的磁偶极子构成的电磁矢量传感器，所有传感器的对应通道相互平行：所有的x轴方向电偶极子相互平行，所有的y轴方向电偶极子相互平行，所有的z轴方向电偶极子相互平行，所有的x轴方向磁偶极子相互平行，所有的y轴方向磁偶极子相互平行，以及所有的z轴方向磁偶极子相互平行；相邻阵元间距dx≤λmin/2，dy≤λmin/2，λmin为入射电磁信号的最小波长；解相干ESPRIT参数估计方法的步骤如下：步骤一、利用L型均匀电磁矢量传感器接收阵列，接收K个远场窄带相干源电磁波信号，接收阵列获取N次同步采样数据Z；步骤二、抽取x、y、z三个坐标轴的电偶极子子阵和x、y、z三个坐标轴的磁偶极子子阵，通过子阵数据协方差矩阵处理恢复数据协方差矩阵的秩，得到解相干后的数据协方差矩阵RZ；根据阵列数据Z的排布规律将数据分成x、y、z轴的电场子阵和x、y、z轴的磁场子阵数据Zex、Zey、Zez、Zhx、Zhy、Zhz，计算6个子阵数据的协方差矩阵和其中，通过6个子阵数据协方差矩阵的算术平均得到解相干后的满秩数据协方差矩阵RZ；步骤三、由解相干后的数据协方差矩阵RZ进行特征分解得到信号子空间Us，根据阵列的结构特点，将信号子空间进行分块，利用分块后的信号子空间分别在x、y轴方向利用ESPRIT估计旋转不变关系矩阵和根据阵列数据的排布规律，将信号子空间Us进行分块运算，信号子空间Us分成x轴子阵对应的信号子空间Usx和y轴子阵对应...

【专利技术属性】
技术研发人员：王兰美，郭立新，徐晓健，张艳艳，王瑶，孙长征，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61