基于三极化嵌套阵列的部分极化信号参数估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于三极化嵌套阵列的部分极化信号参数估计方法，主要用于解决欠定条件下部分极化信号波达方向及极化参数估计问题。其实现步骤是：根据优化法则布置三极化嵌套阵列；构建三极化阵列的部分极化信号接收模型；利用子协方差矩阵相加构造虚拟均匀线阵；利用子协方差矩阵相加构造虚拟协阵输出；利用Toeplitz方法恢复矩阵的秩；估计信号波达方向；估计噪声方差；估计信号极化参数。该方法优势：采用的三极化阵列及子协方差矩阵相加方法可累积信号所有极化分量的功率；采用了优化的嵌套阵列，可在欠定条件下估计噪声方差，从而实现极化参数的无偏估计；除了能估计信号的波达方向和极化度，还能估计极化指向角和极化椭圆率角。椭圆率角。椭圆率角。

【技术实现步骤摘要】
基于三极化嵌套阵列的部分极化信号参数估计方法


[0001]本专利技术属于信号处理
，特别涉及对部分极化信号的波达方向和极化参数的估计，具体是一种基于三极化嵌套阵列的部分极化信号参数估计方法。

技术介绍

[0002]阵列信号处理是利用传感器阵列来进行高维信号处理的技术，广泛应用于雷达、通信、声呐及医学诊断等军用和民用
嵌套阵列由于具备欠定估计的能力，即估计的信号个数大于阵元数，且其虚拟协阵是均匀线阵，而受到学者的广泛关注。另外，由于常规的完全极化信号只属于部分极化信号的一种特例，研究部分极化信号的参数估计更具普遍意义。因此，本专利关注的是利用嵌套阵列进行部分极化信号的参数估计，涉及的参数包含波达方向和极化参数。
[0003]为了能够估计信号的极化参数，阵列必须包含多极化传感器，形成极化敏感阵列。文献：He J,Zhang Z,Shu T,et al.Direction Finding of Multiple Partially Polarized Signals With a Nested Cross
‑
Diople Array[J].IEEE Antennas&Wireless Propagation Letters,2017,16:1679
‑
1682提出一种基于正交子空间的方法(简称正交子空间法)来估计多个不同部分极化信号的波达方向。该方法采用的是嵌套阵，每个阵元为双极化阵元。但该方法没有给出估计信号极化参数的方法。文献：Shu T,He J,Han X,et al.Joint DOA and Degree
‑
of
‑
Polarization Estimation of Partially
‑
Polarized Signals Using Nested Arrays[J].IEEE Communications Letters,2020,24(10):2182
‑
2186基于同上的阵型，提出一种四元数方法(简称四元数法)。该方法根据四元数理论，不仅能估计信号的波达方向还可以估计极化参数中的极化度。但以上方法存在以下问题：第一，采用的都是双极化阵列，无法累积信号所有极化分量的功率；第二，由于欠定条件下无法估计噪声方差，导致四元数法估计的极化度是有偏的；第三，以上两种方法都无法估计信号极化参数中的极化指向角和极化椭圆率角。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于三极化嵌套阵列的部分极化信号参数估计方法。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0006]步骤(1)根据优化法则布置三极化嵌套阵列，总阵元个数L＝L1+L2，L1和L2分别为嵌套阵两个子阵列的阵元个数；
[0007]步骤(2)构建三极化阵列的部分极化信号接收模型：K个来自θ＝[θ1,θ2,
…
,θ
K
]方向的窄带不相关信号沿y
‑
z平面入射到三极化嵌套阵列上，θ
k
∈[0,π]为以逆时针方向从y轴正半轴旋转到各个入射信号方向的夹角，k＝1,2,...,K；
[0008]阵列在第n个快拍时所有三极化阵元的接收数据用向量形式表示为：n＝1,2,...,N，N表示采样的快拍数，
(
·
)
T
表示转置操作，表示复数域，η
l
[n]为第l个阵元在第n个快拍时接收的数据，l＝1,2,...,L；极化阵列流型表示Kronecker积，第k个信号的导向矢量a(θ
k
)＝[a1(θ
k
),a2(θ
k
),
…
,a
L
(θ
k
)]T
，a
l
(θ
k
)表示第k个信号在第l个阵元处的响应，极化响应矩阵第n个快拍的信号矢量s
k
[n]表示第k个信号在第n个快拍时水平和垂直极化分量构成的向量；第n个快拍的噪声矢量υ
l
[n]表示第l个阵元在第n个快拍时的噪声向量；
[0009]旋转矩阵极化向量其中，α
k
为极化指向角，β
k
为极化椭圆率角，满足
‑
π/2＜α
k
≤π/2，
‑
π/4≤β
k
≤π/4，
[0010]步骤(3)利用子协方差矩阵相加构造虚拟协阵输出；
[0011]步骤(4)利用Toeplitz方法恢复矩阵的秩；
[0012]步骤(5)估计信号波达方向：通过子空间类方法估计信号的波达方向，得到其估计值
[0013]步骤(6)估计噪声方差：对η[n]的协方差矩阵进行特征值分解，并对其最小的2L
‑
K个特征值取平均得到噪声方差的估计值(
·
)
H
表示取共轭转置；
[0014]步骤(7)估计信号极化参数：
[0015]结合已估计出的和重构出各个信号的协方差矩阵k＝1,2,...,K，即恢复出中的各个参数r
k,HH
、r
k,VV
和r
k,HV
，r
k,HH
、r
k,VV
分别表示第k个信号水平和垂直极化分量的功率，r
k,HV
表示第k个信号的水平和垂直极化分量的相关系数；恢复的r
k,HH
构成向量r
HH
，恢复的r
k,VV
构成向量r
VV
，恢复的r
k,HV
构成向量r
HV
，则重构部分极化信号的协方差矩阵表示为：
[0016]对第k个重构的协方差矩阵进行特征分解，设特征值分别为u
k,1
和u
k,2
，且u
k,1
＞u
k,2
，u
k,2
对应的特征向量ξ
k,2
，信号的极化度估计为：
[0017]解方程[G(α
k
)W(β
k
)]H
ξ
k,2
＝0，得到信号的极化指向角α
k
和极化椭圆率角β
k
的估计值。
[0018]进一步，步骤(1)具体是：在三维直角坐标中，沿y轴布置嵌套阵列，满足优化法则L1＜(L2+1)/(L2‑
2)；各个阵元的位置构成向量μd＝[1,2,
…
,L1,L1+1,2(L1+1),
…
,L2(L1+1)]T
d，d表示相邻阵元的最小间距，取d＝λ/2，λ为信号波长；每个阵元包含三个极化方向，分别为x
方向极化、y方向极化和z方向极化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于三极化嵌套阵列的部分极化信号参数估计方法，其特征在于，该方法具体是：步骤(1)根据优化法则布置三极化嵌套阵列，总阵元个数L＝L1+L2，L1和L2分别为嵌套阵两个子阵列的阵元个数；步骤(2)构建三极化阵列的部分极化信号接收模型：K个来自θ＝[θ1,θ2,
…
,θ
K
]方向的窄带不相关信号沿y
‑
z平面入射到三极化嵌套阵列上，θ
k
∈[0,π]为以逆时针方向从y轴正半轴旋转到各个入射信号方向的夹角，k＝1,2,...,K；阵列在第n个快拍时所有三极化阵元的接收数据用向量形式表示为：N表示采样的快拍数，(
·
)
T
表示转置操作，表示复数域，η
l
[n]为第l个阵元在第n个快拍时接收的数据，l＝1,2,...,L；极化阵列流型L；极化阵列流型表示Kronecker积，第k个信号的导向矢量a(θ
k
)＝[a1(θ
k
),a2(θ
k
),
…
,a
L
(θ
k
)]
T
，a
l
(θ
k
)表示第k个信号在第l个阵元处的响应，极化响应矩阵第n个快拍的信号矢量s
k
[n]表示第k个信号在第n个快拍时水平和垂直极化分量构成的向量；第n个快拍的噪声矢量υ
l
[n]表示第l个阵元在第n个快拍时的噪声向量；旋转矩阵极化向量其中，α
k
为极化指向角，β
k
为极化椭圆率角，满足
‑
π/2＜α
k
≤π/2，
‑
π/4≤β
k
≤π/4，步骤(3)利用子协方差矩阵相加构造虚拟协阵输出；步骤(4)利用Toeplitz方法恢复矩阵的秩；步骤(5)估计信号波达方向：通过子空间类方法估计信号的波达方向，得到其估计值步骤(6)估计噪声方差：对η[n]的协方差矩阵进行特征值分解，并对其最小的2L
‑
K个特征值取平均得到噪声方差的估计值(
·
)
H
表示取共轭转置；步骤(7)估计信号极化参数：结合已估计出的和重构出各个信号的协方差矩阵k＝1,2,...,K，即恢复出中的各个参数r
k,HH
、r
k,VV
和r
k,HV
，r
k,HH
、r
k,VV
分别表示第k个信号水平和垂直极化分量的功率，r
k,HV
表示第k个信号的水平和垂直极化分量的相关系数；恢复的r
k,HH
构成向量r
HH
，恢复的r
k,VV
构成向量r
VV
，恢复的r
k,HV
构成向量r
HV
，则重构部分极化信号的协方差矩阵表示为：
对第k个重构的协方差矩阵进行特征分解，设特征值分别为u
k,1
和u
k,2
，且u
k,1
＞u
k,2
，u
k,2
对应的特征向量ξ
k,2
，信号的极化度估计为：解方程[G(α
k
)W(β
k
)]
H
ξ
k,2
＝0，得到信号的极化指向角α
k
和极化椭圆率角β
k
的估计值。2.如权利要求1所述基于三极化嵌套阵列的部分极化信号参数估计方法，其特征在于，步骤(1)具体是：在三维直角坐标中，沿y轴布置嵌套阵列，满足优化法则L1＜(L2+1)/(L2‑
2)；各个阵元的位置构成向量μd＝[1,2,
…
,L1,L1+1,2(L1+1),
…
,L2(L1+1)]
T
d，d表示相邻阵元的最小间距，取d＝λ/2，λ为信号波长；每个阵元包含三个极化方向，分别为x方向极化、y方向极化和z方向极化，每个极化方向有单独的输出，即每个阵元有三个输出端口。3.如权利要求2所述基于三极化嵌套阵列的部分极化信号参数估计方法，其特征在于，步骤(2)中，η
l,x
[n]、η
l,y
[n]和η
l,z
[n]对应于第l个阵元在x、y和z方向极化的输出；a
l
(θ<...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘玉剑，高晓欣，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：