一种基于极化时频分布的波达方向估计算法制造技术

本发明专利技术公开一种基于极化时频分布的波达方向估计算法，包含：S1、对阵列所接收的数据进行时频变换，在其时频域内估计来波信号的瞬时频率和调频斜率；S2、用估计的信号参数进行时频域上的选点，对于频率参数不同的信号分别进行处理，分别选各自时频脊上的点去构造空间时频分布矩阵；S3、对构造的空间时频分布矩阵分别用时频ESPRIT算法进行DOA估计，得到DOA值一个大致范围；S4、在得到的DOA范围内进行时频MUSIC算法，构造空间谱，得到精确DOA估计值。本发明专利技术用极化时频ESPRIT算法对来波信号确定大致方位角，再以每个方位角为中心确定小的角度范围，用MUSIC算法进行谱峰搜索得到较准确的DOA估计值，在保证DOA估计精度的基础上节省大部分运算时间，更好地应用于工程实践中。

【技术实现步骤摘要】
一种基于极化时频分布的波达方向估计算法
本专利技术涉及波达方向估计方法领域，具体涉及一种基于极化时频分布的波达方向估计算法。
技术介绍
在雷达信号处理研究中，如何提高波达方向(Directionofarrival，DOA)估计的精度一直是研究热点。现代空间谱估计技术中有很多经典算法，比如多重信号分类(MultipleSignalClassification，MUSIC)算法、旋转不变子空间(EstimationofSignalParametersviaRotationalIn-varianceTechniques，ESPRIT)算法等，但是这些经典算法现在已经满足不了现代雷达体制中所需要的估计精度了。雷达中多使用线性调频信号作为发射信号，它属于非平稳信号，时频分析方法在处理非平稳信号时可以提取更多的信息，利用时频分析方法对回波信号的非平稳特性进行有效地利用可以提高空间谱估计的性能。极化信息是电磁波信号的固有属性，也是回波信号的信息，利用极化敏感阵列天线来接收雷达回波信号，则可以充分利用回波信号的空域、时频域以及极化域信息。现有技术中，已提出了空间时频分布的概念，并将其运用到DOA估计中。后来从理论上证明了空间时频分布矩阵的结构可以用来进行信号的到达角估计，这为后来的学者进行空间时频信号处理的研究提供了理论支撑。在极化研究领域，现有技术中就已经利用由交叉偶极子构成的极化敏感阵列并且结合经典的超分辨估计算法进行了测向研究。另，目前已研究了基于均匀线阵的极化敏感阵列情况下的极化状态参数和电磁波来波方向的估计。本专利技术综合考虑电磁信号空域、时频域以及极化域所包含的信息，以双极化正交偶极子组成的均匀线阵为模型，结合时频分析方法对非平稳信号的能量聚集作用，再结合现代空间谱超分辨估计技术对来波信号进行DOA估计，研究一种基于极化时频分布的DOA估计算法，以解决雷达探测目标时方位估计精度低、速度慢的问题。现有技术中以公开有一种极化敏感阵列下非圆信号DOA与极化参数联合估计方法，该方法利用信号的非圆特性，提出了适用于平面双极化敏感阵列的DOA和极化参数联合估计方法，提高了信号DOA参数的估计精度，且相比于经典的适用于极化敏感阵列的测向方法有效地降低了运算量，并可以在不耗费额外运算量的同时对极化参数做出联合估计。该方案综合考虑了平面双极化敏感阵列的DOA和极化信息，但没有利用非平稳信号的时频特性，因此其估计精度还有待提高。同时，现有技术中还公开一种单偶极子极化敏感旋转阵列DOA与极化参数联合估计方法，该方法所述的旋转阵列不仅可以利用单偶极子构造极化敏感旋转阵列进行构造，还可以利用任意极化敏感天线单元或组合对其进行构造，具有很强的可移植性。该方法降低了系统的成本，并且较少的阵元数有效的避免了阵元数较多带来的通道不一致性的问题，但是该方法计算量较大，无法满足实际工程应用中时效性的要求。目前，也已存在一种在多径干扰环境下单偶极子极化敏感阵列降维DOA估计方法。该方法所述降维DOA估计方法能够实现在不增加硬件需求的条件下对信号源角度的快速估计，接收并利用信号源与干扰源的极化特性有效分辨目标和干扰，实现在复杂环境下对目标的估计，具有一定的工程应用价值。该方法执行速度较快，实现成本低，但没有利用非平稳信号的时频特性，估计精度有待提高。本领域中还公开有一种基于极化敏感阵列的二维波达方向(DOA)和极化参数联合估计算法，该方法采用粗估计和精估计相结合的方式进行二维DOA估计，避免了运算量繁杂的多维谱峰搜索操作。该方法扩展了有效地阵列孔径，提高了测角精度，但是该算法也没有利用非平稳信号的时频特性，估计精度有待提高。同时，还涉及一种DOA估计算法。该方法针对阵列信号波达方向处理中分辨率较低的问题，提出将改进S变换与阵列信号DOA估计相结合的思想。该算法在高斯窗中加入调节因子，可以灵活调节高斯窗函数岁频率尺度的变化趋势，但由于S变换的引入，严重加大了算法计算量，估计速度较慢，工程应用价值较低。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于极化时频分布的波达方向估计算法，综合考虑了电磁信号空域、时频域以及极化域所包含的信息，并且用粗估计和精估计相结合的方式，能够快速得到较为准确的DOA估计值，得到的DOA估计值精度高，计算量小，运算速度快，便于应用在实际工程中。为了达到上述目的，本专利技术公开了一种基于极化时频分布的波达方向估计算法，该方法包含以下步骤：S1、对极化敏感阵列第一个接收通道所接收的数据进行伪魏格纳-维尔分布时频变换，在其时频域内估计来波信号的瞬时频率和调频斜率，进入步骤S2；S2、用所述步骤S1中估计的信号参数进行时频域上的选点，对于频率参数不同的信号分别进行处理，分别选各自时频脊上的点去构造各自的空间极化时频分布矩阵，进入步骤S3；S3、对步骤S2中构造好的空间极化时频分布矩阵分别用极化时频ESPRIT算法进行波达方向估计，得到每个信号波达方向值的大致范围，进入步骤S4；S4、在所述步骤S3中得到的波达方向范围内进行极化时频MUSIC算法，并构造空间谱，得到精确的波达方向估计值。优选地，所述极化敏感阵列采用N个正交的交叉偶极子组成均匀线阵。优选地，所述极化敏感阵列为双极化正交偶极子组成的4阵元均匀线阵。优选地，所述步骤S1中，进一步包含：设信号源的复基带信号为s(t)，载波频率为f0，空间来波方向用俯仰角和方位角表示，极化信息用相位描述子(γ,η)表示，γ为极化幅度角，η为极化相位角，则该信号源可表示为：其中，t代表时间，和分别表示来波信号的方位角和俯仰角，和Eθ＝sinγejη分别代表和方向上的极化信息，r表示空间上的坐标矢量，k表示波数矢量，j为虚数单位；当接收数据中有K个信号源且存在独立平稳的噪声时，接收信号可表示为：式中，N表示极化敏感阵列的阵元个数，S＝[s1s2…sK]表示信号的导向矢量矩阵，表示接收信号的极化域-空域联合导向矢量，极化矢量sp可以表示为：其中，Ex表示x轴方向的电场信息，Ey表示y轴方向的电场信息；空域导向矢量ss可以表示为：其中，φi表示第i个阵元与参考阵元相比的空间相位滞后。优选地，所述步骤S2中，进一步包含：由时频变换原理可知，接收信号x(t)的空间极化时频分布矩阵可以表示为：式中，f表示频率，u、τ都表示积分变量，x(t)表示接收的回波信号，xH(t)表示x(t)的共轭转置，φ(t,τ)代表时频变换的核函数。优选地，所述的步骤S3中，进一步包含以下步骤：S3.1、通过空极化时频矩阵构造协方差矩阵R11和R22；S3.2、分别对协方差矩阵R11和R22进行特征分解，得到两个信号子空间E1和E2，再将两个信号子空间组合成一个新的矩阵S3.3、构造矩阵并对其进行特征分解，得到特征矩阵E，特征矩阵E可分为4个K×K维的矩阵；S3.4、计算最小二乘解并对其进行特征分解，得到K个特征值，再根据φk＝2πdsinθk/λ可以得到信号的来波方向信息，λ表示信号波长。优选地，所述步骤S4中，进一步包含：根据所述步骤S2得到的空极化时频矩阵以及所述步骤S3得到的来波方向估计值的大致范围，对构造好的空间极化时频分布矩阵分别进行特征值分解、噪声子空间的构造以及空间谱的构造，空间谱如下所示：其中，S(φ)为极化域-空域联本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于极化时频分布的波达方向估计算法，其特征在于，包含以下步骤：S1、对极化敏感阵列第一个接收通道所接收的数据进行伪魏格纳‑维尔分布时频变换，在其时频域内估计来波信号的瞬时频率和调频斜率，进入步骤S2；S2、用所述步骤S1中估计的信号参数进行时频域上的选点，对于频率参数不同的信号分别进行处理，分别选各自时频脊上的点去构造各自的空间极化时频分布矩阵，进入步骤S3；S3、对步骤S2中构造好的空间极化时频分布矩阵分别用极化时频ESPRIT算法进行波达方向估计，得到每个信号波达方向值的大致范围，进入步骤S4；S4、在所述步骤S3中得到的波达方向范围内进行极化时频MUSIC算法，并构造空间谱，得到精确的波达方向估计值。

【技术特征摘要】
1.一种基于极化时频分布的波达方向估计算法，其特征在于，包含以下步骤：S1、对极化敏感阵列第一个接收通道所接收的数据进行伪魏格纳-维尔分布时频变换，在其时频域内估计来波信号的瞬时频率和调频斜率，进入步骤S2；S2、用所述步骤S1中估计的信号参数进行时频域上的选点，对于频率参数不同的信号分别进行处理，分别选各自时频脊上的点去构造各自的空间极化时频分布矩阵，进入步骤S3；S3、对步骤S2中构造好的空间极化时频分布矩阵分别用极化时频ESPRIT算法进行波达方向估计，得到每个信号波达方向值的大致范围，进入步骤S4；S4、在所述步骤S3中得到的波达方向范围内进行极化时频MUSIC算法，并构造空间谱，得到精确的波达方向估计值。2.如权利要求1所述的基于极化时频分布的波达方向估计算法，其特征在于，所述极化敏感阵列采用N个正交的交叉偶极子组成均匀线阵。3.如权利要求2所述的基于极化时频分布的波达方向估计算法，其特征在于，所述极化敏感阵列为双极化正交偶极子组成的4阵元均匀线阵。4.如权利要求2或3所述的基于极化时频分布的波达方向估计算法，其特征在于，所述步骤S1中，进一步包含：设信号源的复基带信号为s(t)，载波频率为f0，空间来波方向用俯仰角和方位角表示，极化信息用相位描述子(γ,η)表示，γ为极化幅度角，η为极化相位角，则该信号源可表示为：其中，t代表时间，和分别表示来波信号的方位角和俯仰角，和Eθ＝sinγejη分别代表和方向上的极化信息，r表示空间上的坐标矢量，k表示波数矢量，j为虚数单位；当接收数据中有K个信号源且存在独立平稳的噪声时，接收信号可表示为：式中，N表示极化敏感阵列的阵元个数，S＝[s1s2…sK]表示信号的导向矢量矩阵，表示接收信号的极化域-空域联合导向矢量，极化矢量sp可以表示为：其中，Ex表示x轴方向的电场...

【专利技术属性】
技术研发人员：李芬，李敏，刘庆波，史秀花，李爽爽，李梦妍，李灿乐，
申请(专利权)人：上海无线电设备研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31