基于非共位非均匀极化阵的部分极化信号多参数估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于非共位非均匀极化阵的部分极化信号多参数估计方法。本发明专利技术方法实现步骤是：布置非共位非均匀极化阵列；构建部分极化信号接收模型并采样；求阵列样本协方差矩阵及其误差统计分布；构造用于重构共位均匀极化阵列理论协方差矩阵的优化问题并求解；基于重构的共位均匀极化阵列理论协方差矩阵估计信号来波方向；求解信号相干矩阵并估计信号极化参数。本发明专利技术方法阵列采用非共位的方式，每个极化单元相位中心不重叠，一方面避免了共位阵列极化单元间存在的互耦问题；另一方面每个阵元只有一个射频通道，节省了资源。然后，阵列采用非均匀的方式，解除了均匀阵列对于阵列孔径的限制，并且保证了波达方向估计没有模糊。有模糊。有模糊。

【技术实现步骤摘要】
基于非共位非均匀极化阵的部分极化信号多参数估计方法


[0001]本专利技术属于阵列信号处理
，特别涉及对部分极化信号的多参数估计，具体是一种基于非共位非均匀极化阵的部分极化信号多参数估计方法。

技术介绍

[0002]阵列天线技术被用来估计信号波达方向等参数，广泛应用于雷达、通信等
以往的研究多假设阵列为标量阵列，即阵列的极化单一。这种情况下，当信号极化与阵列极化不同时将导致极化失配，降低信噪比。为解决该问题，极化阵(全称极化敏感阵)被提出。极化阵包含不同极化的单元，可接收信号的不同极化分量。除了解决极化失配问题，极化阵还使得估计信号极化参数成为可能。基于极化阵，研究人员对完全极化信号做了大量研究。完全极化信号的极化参数固定，但在某些应用中信号的极化随时间改变，此类信号被称为部分极化信号。完全极化信号属于部分极化信号的一种特例，因而针对部分极化信号的研究更具普遍意义。
[0003]为了方便信号处理，极化阵中的每个阵元常由多个相位中心重叠的不同极化单元构成，且每个阵元具有相同的结构，如文献1(Shu T,Wang K,He J,et al.Subspace
‑
Based Method for Direction Finding of Multiple Partially Polarized Signals[J].Chinese Journal of Electronics,2018,27(1):206
‑
212)采用的方法。多个极化单元相位中心重叠被称为共位。极化单元共位会带来两个问题。一方面，由于每个极化单元需配备一个射频通道，一个阵元就对应多个射频通道，从而会增加硬件成本；另一方面，共位的极化单元会引起单元间的互耦，降低参数估计性能。针对该问题，文献2(F.Liu，H.Li，W.Xia and Y.Wang，A DOA and Polarization Estimation Method Using a Spatially Non
‑
Collocated Vector Sensor Array,2014IEEE China Summit&International Conference on Signal and Information Processing(ChinaSIP),2014,pp.763
‑
767)提出一种非共位阵列，其中每个极化单元的相位中心互不重叠，并各自单独构成一个阵元。但该阵列由于具有均匀结构，为了避免来波方向的模糊，需要不同极化单元间距不超过四分之一个波长，因而会减小阵列孔径并增大互耦。另外，该文献提出的参数估计方法是针对信号为完全极化情形，并不适用于部分极化信号。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于非共位非均匀极化阵的部分极化信号多参数估计方法。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0006]步骤(1)布置非共位非均匀极化阵列：
[0007]所述非共位非均匀极化阵列由两个非均匀子阵列构成，两个子阵列的极化互相正交，共同构成均匀线阵。子阵列中的每个阵元只由一个极化单元构成，即每个阵元只有一个输出端口。
[0008]均匀线阵布置方式具体为：在三维直角坐标系中，沿y轴放置两个非均匀子阵列，分别为x方向极化子阵列和y方向极化子阵列；其中：
[0009]x方向极化子阵列包含M1个x方向极化阵元，所有阵元的位置构成x方向位置向量向量为x方向极化阵元位置指示向量，包含不连续整数，γ
m1
为向量γ中第m1个元素，m1＝1,2,
…
,M1，d表示阵元间最小间隔，取d≤λ/2，λ为信号波长，(
·
)
T
表示转置操作；
[0010]y方向极化子阵列包含M2个y方向极化阵元，所有阵元的位置构成y方向位置向量向量为y方向极化阵元位置指示向量，包含不连续整数，η
m2
为向量η中第m2个元素，m2＝1,2,
…
,M2；
[0011]两个非均匀子阵列共同构成均匀线阵，阵元数M＝M1+M2，其阵元位置构成向量(γ∪η)d，其中向量γ∪η包含连续不重复整数，∪表示合并操作。
[0012]步骤(2)构建部分极化信号接收模型并采样：
[0013]来自θ＝[θ1,θ2,
…
,θ
K
]T
方向的K个窄带不相关信号，从y
‑
z平面入射到非均匀极化阵；其中θ
k
为第k个以逆时针方向从y轴正半轴到各个入射信号方向的夹角，k＝1,2,...,K。
[0014]x方向极化子阵列在第t个快拍的输出用以下向量表示：
[0015]其中，表示x方向极化子阵列针对第k个信号的导向矢量；a
x
(θ
k
)的第m1个元素为个元素为s
k,h
(t)表示第k个信号在第t个快拍时的水平极化分量，ε
x
(t)是在第t个快拍时噪声方差为σ2的零均值高斯白噪声构成的向量；x方向极化子阵列的流型矩阵各信号水平极化分量构成的向量向量表示复数域；
[0016]y方向极化子阵列在第t个快拍的输出用以下向量表示：
[0017]其中，表示y方向极化子阵列针对第k个信号的导向矢量；a
y
(θ
k
)的第m2个元素为s
k,v
(t)为第k个信号在第t个快拍时的垂直极化分量；ε
y
(t)为与ε
x
(t)独立同分布的噪声向量；y方向极化子阵列的流型矩阵各信号垂直极化分量构成的向量
[0018]第k个部分极化信号s
k
(t)＝[s
k,h
(t),s
k,v
(t)]T
的相干矩阵定义为：
[0019]其中，Ε(
·
)表示求期望，r
k,hh
、r
k,vv
分别表示第k个信号水平和垂直方向的功率，r
k,hv
表示第k个
信号两个极化分量的相关系数。和分别为第k个信号的未极化功率和完全极化功率，信号的极化度表示为ρ
k
∈[0,1]。I2表示二阶单位矩阵，(
·
)
H
表示取共轭转置，(
·
)
*
表示取共轭。
[0020]旋转矩阵α
k
表示第k个信号的极化指向角，
‑
π/2＜α
k
≤π/2；
[0021]椭圆率矢量w(β
k
)＝[cosβ
k jsinβ
k
]T
，β
k
表示第k个信号的极化椭圆率角，
‑
π/4≤β
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于非共位非均匀极化阵的部分极化信号多参数估计方法，其特征在于：步骤(1)布置非共位非均匀极化阵列：所述非共位非均匀极化阵列由两个非均匀子阵列构成，两个子阵列的极化互相正交，共同构成均匀线阵；子阵列中的每个阵元只由一个极化单元构成，即每个阵元只有一个输出端口；均匀线阵布置方式具体为：在三维直角坐标系中，沿y轴放置两个非均匀子阵列，分别为x方向极化子阵列和y方向极化子阵列；其中：x方向极化子阵列包含M1个x方向极化阵元，所有阵元的位置构成x方向位置向量向量为x方向极化阵元位置指示向量，包含不连续整数，γ
m1
为向量γ中第m1个元素，m1＝1,2,
…
,M1，d表示阵元间最小间隔，取d≤λ/2，λ为信号波长，(
·
)
T
表示转置操作；y方向极化子阵列包含M2个y方向极化阵元，所有阵元的位置构成y方向位置向量向量为y方向极化阵元位置指示向量，包含不连续整数，η
m2
为向量η中第m2个元素，m2＝1,2,
…
,M2；两个非均匀子阵列共同构成均匀线阵，阵元数M＝M1+M2，其阵元位置构成向量(γ∪η)d，其中向量γ∪η包含连续不重复整数，∪表示合并操作；步骤(2)构建部分极化信号接收模型并采样：来自θ＝[θ1,θ2,
…
,θ
K
]
T
方向的K个窄带不相关信号，从y
‑
z平面入射到非均匀极化阵；其中θ
k
为第k个以逆时针方向从y轴正半轴到各个入射信号方向的夹角，k＝1,2,...,K；x方向极化子阵列在第t个快拍的输出用以下向量表示：表示x方向极化子阵列针对第k个信号的导向矢量；a
x
(θ
k
)的第m1个元素为s
k,h
(t)表示第k个信号在第t个快拍时的水平极化分量，ε
x
(t)是在第t个快拍时噪声方差为σ2的零均值高斯白噪声构成的向量；x方向极化子阵列的流型矩阵各信号水平极化分量构成的向量量表示复数域；y方向极化子阵列在第t个快拍的输出用以下向量表示：y方向极化子阵列在第t个快拍的输出用以下向量表示：表示y方向极化子阵列针对第k个信号的导向矢量；a
y
(θ
k
)的第m2个元素为s
k,v
(t)为第k个信号在第t个快拍时的垂直极化分量；ε
y
(t)为与ε
x
(t)独立同分布的噪声向量；y方向极化子阵列的流型矩阵各信号垂直极化分量构成的向量第k个部分极化信号s
k
(t)＝[s
k,h
(t),s
k,v
(t)]
T
的相干矩阵为：
Ε(
·
)表示求期望，r
k,hh
、r
k,vv
分别表示第k个信号水平和垂直方向的功率，r
k,hv
表示第k个信号两个极化分量的相关系数；和分别为第k个信号的未极化功率和完全极化功率，信号的极化度表示为ρ
k
∈[0,1]；I2表示二阶单位矩阵，(
·
)
H
表示取共轭转置，(
·
)
*
表示取共轭；旋转矩阵α
k
表示第k个信号的极化指向角，
‑
π/2＜α
k
≤π/2；椭圆率矢量w(β
k
)＝[cosβ
k jsinβ
k
]
T
，β
k
表示第k个信号的极化椭圆率角，
‑
π/4≤β
k
≤π/4；则，在t时刻阵列所有输出为：T表示快拍数；第t个快拍时阵列所有输出包含的噪声步骤(3)计算阵列样本协方差矩阵及其误差统计分布：阵列输出对应的理论协方差矩阵R＝E[z(t)z(t)
H
]，阵列输出对应的样本协方差矩阵]，阵列输出对应的样本协方差矩阵与R之间存在的误差即为模型噪声，满足以下分布：其中，表示均值为0，协方差矩阵为∑的渐进复正态分布，态分布，表示Kronecker积，vec(
·
)表示将矩阵按列向量化；步骤(4)构造用于重构共位均匀极化阵列理论协方差矩阵的优化问题并求解：步骤(4)构造用于重构共位均匀极化阵列理论协方差矩阵的优化问题并求解：步骤(4)构造用于重构共位均匀极化阵列理论协方差矩阵的优化问题并求解：步骤(4)构造用于重构共位均匀极化阵列理论协方差矩阵的优化问题并求解：R
′
xx

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