一种基于稀疏表示的宽频段到达角度和极化联合测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于稀疏表示的宽频段到达角度和极化联合测量方法，包括步骤：S1.对测向系统的天线阵列接收的矢量数据进行傅里叶变换，得到频域模型，并分别测量出各信号的中心频率；S2.利用天线阵列中正交双极化天线的输出响应计算出各信号的极化角；S3.针对于空间中第k个信号，将空间角度进行均匀离散划分，构建空域冗余字典，得到空间信号的稀疏表示模型；S4.对天线阵列接收的矢量数据在冗余字典上进行稀疏重构，得到稀疏向量，并通过非零系数的位置计算出信号的到达角度；S5.重复步骤S3和S4得到全部信号的到达角度。本发明专利技术给出了宽频段内二维到达角度和极化联合测量方法，可同时得到中心频率、二维到达角度和极化参数。

【技术实现步骤摘要】
一种基于稀疏表示的宽频段到达角度和极化联合测量方法
本专利技术涉及阵列信号处理
，尤其涉及一种基于稀疏表示的宽频段到达角度和极化联合测量方法。
技术介绍
现有的阵列测向算法以多重信号分类(MultipleSignalClassification，MUSIC)方法为主要代表，其基本原理如下：对于空间中K个远场信号入射到阵列上，t时刻的阵列接收数据x(t)为：式中，分别表示第k个信号的中心频率、俯仰角、方位角、极化辅助角和极化相位差，s(t)为信号矢量，n(t)为噪声矢量。阵列接收数据的协方差矩阵为：对协方差矩阵Rxx进行特征值分解，其中特征值Λs对应的特征向量张成的信号子空间为Us，特征值Λn对应的特征向量张成的噪声子空间为Un，且Us与Un相互正交，二维MUSIC谱峰搜索计算公式为式中，为导向矢量，通过多维参数联合搜索得到空间谱，当时谱峰出现极大值。由于MUSIC算法需要通过多维搜索过程以确定谱峰出现的位置，运算复杂度较高，而且要求的测向精度越高，频段越宽，谱峰搜索网格划分就越密集，参数计算效率下降越明显，无法满足测向实时测向的要求。现有的基于稀疏表示的测量方法利用信号来波方向在空域上的稀疏性，建立多维冗余字典，然后通过信号稀疏重构得到稀疏系数，冗余字典的构建如下：构建的冗余字典与实际信源DOA无关，其维度与测量精度和分辨力成正比。利用冗余字典就可以对信号进行稀疏表示，得到信号的稀疏表示模型如下：x(t)＝Dz(t)+n(t)(5)式中，z(t)是稀疏矢量，z(t)中只有K组非零系数，通过稀疏求解非零系数的位置得到K个空间信号的参数测量。该方法需要建立多维联合冗余字典，且要求的测向精度越高，频段越宽，字典的长度急剧增加，稀疏求解的计算量巨大，难以满足测向系统实时处理的要求。
技术实现思路
为了解决上述信号多维参数(中心频率、二维到达角度、极化等)联合测量运算复杂度较高的问题，本专利技术提出一种基于稀疏表示的宽频段到达角度和极化联合测量方法，可避免多维联合搜索过程，优化多维参数运算复杂度，计算效率更高，能够提高测向系统的实时处理性能。本专利技术采用的技术方案如下：一种基于稀疏表示的宽频段到达角度和极化联合测量方法，包括以下步骤：S1.对测向系统的天线阵列接收的矢量数据进行傅里叶变换，得到频域模型x(fk)，并分别测量出各信号的中心频率fk；其中k＝1,2,...,K，K为信号数量；S2.利用天线阵列中正交双极化天线的输出响应计算出各信号的极化辅助角γk和极化相位角ηk；S3.针对于空间中第k个信号，将空间角度进行均匀离散划分，构建空域冗余字典得到空间信号的稀疏表示模型其中为信号的俯仰角，θ为信号的方位角；S4.对天线阵列接收的矢量数据在冗余字典上进行稀疏重构，得到稀疏向量并通过非零系数的位置计算出信号的到达角度，即俯仰角和方位角θ；S5.重复步骤S3和S4得到全部K个信号的到达角度。进一步的，天线阵列采用极化敏感矢量十字线阵，阵列原点布置一个正交双极化天线，相位中心重合，其余阵元按照多极化方式布置，阵元间距为d。进一步的，考虑空间中K个完全极化的远场窄带信号入射到天线阵列上，俯仰角定义为入射信号与z轴正方向的夹角，方位角θk∈(-π/2,π/2)定义为入射信号在yoz平面与x轴正方向的夹角，将第k个信号与y轴方向的极化域导向矢量表示为：式中，极化辅助角γk∈[0,π/2)，极化相位角ηk∈[-π,π)，e为自然常数，j为虚数单位；将x轴方向的极化域导向矢量表示为：进一步的，根据天线阵列结构，将x，y轴方向的空域导向矢量分别表示为：式中，和表示第m个阵元上的空间相位因子，表示入射信号沿x轴方向的方向余弦，表示入射信号沿y轴方向的方向余弦，d为阵元间距，λ为入射信号的波长，M为阵元数量。进一步的，极化敏感矢量十字线阵的导向矢量为极化域导向矢量与空域导向矢量的Kronecker积，则将整个天线阵列的导向矢量表示为：式中，表示Kronecker积。进一步的，步骤S1中，频域模型x(fk)表示为：式中，表示第k个信号的导向矢量，s(fk)表示中心频率为fk的信号矢量，n(fk)表示噪声矢量，A表示矢量阵列流型。进一步的，步骤S2中，若正交双极化天线的输出响应表示为：e＝heh+vev(10)式中，eh和ev为方向单位矢量，h和v为极化分解后的复系数，则信号的极化辅助角和极化相位角分别为：进一步的，步骤S3中，构建的空域冗余字典表示为：式中，以任意潜在的到达角度等间隔划分，NS为到达角度划分网格数，表示第k个信号第i个潜在的到达角度；利用空域冗余字典对信号进行稀疏表示，得到稀疏表示模型：式中，为稀疏向量，为噪声向量。进一步的，步骤S4中，将稀疏向量的非零系数的求解问题转化成凸优化问题：式中，z表示待求解的稀疏向量，D表示冗余字典，ε表示稀疏重构误差；上式表示在重构误差||Dz-x||2小于ε的条件下，使得z的1-范数最小；通过求解z中非零系数的位置得到信号的到达角度。进一步的，若需要得到高精度的极化辅助角γk，则在得到的信号到达角度上对极化角进行均匀离散划分，构建极化域冗余字典：式中，以任意潜在的极化角度等间隔划分，NS为极化角度划分网格数，表示到达角度为的第k个信号第i个潜在的极化角度；利用上式对信号进行极化域稀疏重构，就能够得到极化辅助角γk的精确测量。本专利技术的有益效果在于：本专利技术给出了宽频段内二维到达角度和极化联合测量的新方法，能够同时得到中心频率、二维到达角度和极化参数的测量。该方法利用多极化矢量阵列将信号多维参数联合测量分解为频域、空域、极化域独立处理，避免了多维联合搜索过程，从而极大地提高了参数计算效率。附图说明图1本专利技术的极化敏感矢量十字线阵模型；图2本专利技术实施例2的组成框图；图3本专利技术的联合测量方法流程框图；图4本专利技术的频率测量结果；图5本专利技术的极化测量结果；图6本专利技术的到达角度测量均方根误差；图7本专利技术与传统多维联合搜索方法的运算时间比较结果。具体实施方式为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本专利技术的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术，即所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1本实施例中，测向系统的天线阵列采用极化敏感矢量十字线阵，如图1所示。阵列原点布置一个正交双极化天线，相位中心重合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于稀疏表示的宽频段到达角度和极化联合测量方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1.对测向系统的天线阵列接收的矢量数据进行傅里叶变换，得到频域模型x(f

【技术特征摘要】
1.一种基于稀疏表示的宽频段到达角度和极化联合测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.对测向系统的天线阵列接收的矢量数据进行傅里叶变换，得到频域模型x(fk)，并分别测量出各信号的中心频率fk；其中k＝1,2,...,K，K为信号数量；
S2.利用天线阵列中正交双极化天线的输出响应计算出各信号的极化辅助角γk和极化相位角ηk；
S3.针对于空间中第k个信号，将空间角度进行均匀离散划分，构建空域冗余字典得到空间信号的稀疏表示模型其中为信号的俯仰角，θ为信号的方位角；
S4.对天线阵列接收的矢量数据在冗余字典上进行稀疏重构，得到稀疏向量并通过非零系数的位置计算出信号的到达角度，即俯仰角和方位角θ；
S5.重复步骤S3和S4得到全部K个信号的到达角度。


2.根据权利要求1所述的一种基于稀疏表示的宽频段到达角度和极化联合测量方法，其特征在于，天线阵列采用极化敏感矢量十字线阵，阵列原点布置一个正交双极化天线，相位中心重合，其余阵元按照多极化方式布置，阵元间距为d。


3.根据权利要求2所述的一种基于稀疏表示的宽频段到达角度和极化联合测量方法，其特征在于，考虑空间中K个完全极化的远场窄带信号入射到天线阵列上，俯仰角定义为入射信号与z轴正方向的夹角，方位角θk∈(-π/2,π/2)定义为入射信号在yoz平面与x轴正方向的夹角，将第k个信号与y轴方向的极化域导向矢量表示为：



式中，极化辅助角γk∈[0,π/2)，极化相位角ηk∈[-π,π)，e为自然常数，j为虚数单位；
将x轴方向的极化域导向矢量表示为：





4.根据权利要求3所述的一种基于稀疏表示的宽频段到达角度和极化联合测量方法，其特征在于，根据天线阵列结构，将x，y轴方向的空域导向矢量分别表示为：






式中，和表示第m个阵元上的空间相位因子，表示入射信号沿x轴方向的方向余弦，表示入射信号沿y轴方向的方向余弦，d为阵元间距，λ为入射信号的波长，M为阵元数量。


5.根据权利要求4所述的一种基于稀疏表示的宽频段到达角度和极化联合测量方法，其特征在于，极化敏感矢量十字线阵的导向矢量为极化域导向矢量与空域导向矢量的Kr...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈志博，王浩丞，朱全江，傅劲松，唐勇，刘俊，王星斗，曲焕全，霍东红，韩海周，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十九研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51