基于级联稀疏多极化面阵的二维波达方向与极化参数闭式联合估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于级联稀疏多极化面阵的二维波达方向与极化参数闭式联合估计方法，主要解决现有方法计算复杂度较高和自由度受限的问题，其实现步骤是：构造级联稀疏多极化面阵；级联稀疏多极化面阵接收信号模型建模及多维参数分离解耦；对接收信号协方差矩阵分块平滑处理；构造虚拟级联均匀多极化面阵接收信号协方差矩阵；对虚拟协方差矩阵特征分解，求取各信号源的波达方向与单坐标轴的夹角估计；求取各信源的波达方向与另一坐标轴的夹角估计，并求取方位角、俯仰角和极化参数的闭式估计。本发明专利技术基于多域子阵平滑技术，为实现二维波达方向与极化参数的快速联合估计提供了可行和有效的解决方案，可用于工业物联网等复杂场景下的感知和定位。杂场景下的感知和定位。杂场景下的感知和定位。

【技术实现步骤摘要】
基于级联稀疏多极化面阵的二维波达方向与极化参数闭式联合估计方法


[0001]本专利技术属于信号处理
，尤其涉及面向级联稀疏多极化面阵的参数估计，具体是一种基于级联稀疏多极化面阵的二维波达方向与极化参数闭式联合估计方法，可用于工业物联网等复杂场景下的感知和定位。

技术介绍

[0002]多极化阵列具有稳定可靠地联合感知信号二维波达方向和极化参数的能力，该稳定的多维感知参数可用于工业物联网、通信和雷达等领域中复杂场景下的感知和定位。现有均匀多极化阵列存在由于阵元间距较小导致的互耦效应，且阵列自由度受限于物理阵元的个数因而阵列孔径大小有限，进而影响二维波达方向和极化参数估计的效果。
[0003]为减小互耦效应，提高阵列自由度，使用较少阵元实现更大的阵列孔径，本专利技术提出一种全新的级联稀疏多极化面阵结构，并基于该新型多极化稀疏面阵进行二维波达方向和极化参数的联合闭式估计。具体而言，本专利技术通过分层与分子阵的方式稀疏化地级联极化类型不同的磁环和偶极子阵元用于接收信号的不同极化分量。另一方面，现有二维波达方向与极化参数联合估计的相关方法需要本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于级联稀疏多极化面阵的二维波达方向与极化参数闭式联合估计方法，其特征在于，包含以下步骤：(1)构建级联稀疏多极化面阵：构造由N
p
≥2个稀疏子阵级联组成的级联稀疏多极化面阵，相邻子阵间的距离为d，每个子阵由L0N
m
个极化类型相同的磁环或偶极子构成，磁环的法线方向平行于某一坐标轴，偶极子的轴向方向平行于某一坐标轴，且L0N
m
个阵元均由N
m
≥2个互相平行的层组成，相邻层之间的距离为d
x
，每层阵元数目为L0，则该级联稀疏多极化面阵每层共有L＝L0N
p
个阵元；各层阵元的稀疏排布方式均为相同的完全可扩充稀疏阵列；各子阵每层对应的虚拟阵元数为L
V
，相邻虚拟阵元的间距为d；(2)假设有M个非相关远场窄带信号源入射至所设计级联稀疏多极化面阵，θ
m
、φ
m
分别表示第m个信号源的方位角和俯仰角，γ
m
、η
m
分别表示第m个信号源的极化辅助角和极化相位差，其中m＝1,2,
…
,M，则所设计的级联稀疏多极化面阵在t时刻的接收信号x(t)建模为：其中s
m
(t)表示对应于第m个信号源的波形，n(t)是均值为零且与各信号源相互独立的高斯白噪声分量，所设计级联稀疏多极化面阵的空域和极化域联合域导引矢量表示为其中a
h
(θ
m
,φ
m
)、a
v
(θ
m
,φ
m
)分别表示水平极化导引矢量和垂直极化导引矢量，对应于来波方向为(θ
m
,φ
m
)的信号，表示对应于第m个信号的极化矢量，blkdiag[B
s
×
t
,C
p
×
q
]表示由括号内矩阵构造的对角分块矩阵，即：其中Β
s
×
t
、C
p
×
q
分别表示s
×
t维矩阵和p
×
q维矩阵，O
a
×
b
表示a
×
b维零矩阵；所设计级联稀疏多极化面阵的空域和极化域联合域导引矢量进一步表示为其中a
s,m
为所设计级联稀疏多极化面阵的仅与空域参数相关的纯空域导引矢量，表示为其中[
·
]
T
表示转置操作，表示所设计级联稀疏多极化面阵第1,2,
…
,N
m
层的纯空域导引矢量，层的纯空域导引矢量，λ表示信号波长，d
l
，l＝1,2,
…
,L表示每层中第l个阵元与坐标原点沿y轴方向的距离，d1＝0，diag
(a)表示基于矢量a中各元素生成的对角阵，表示所设计级联稀疏多极化面阵的极化域导引矢量，D为N
m
L
×
N
p
维矩阵，每行有且仅有一个元素为1，其余元素均为0，其表征将面阵的所有阵元按层堆叠形成N
m
L个阵元后，各阵元的极化类型选择方式，所设计级联稀疏多极化面阵共有N
p
个子阵，[D]
a,b
＝1表示第a个阵元属于第b个子阵的极化类型，a＝1,2,
…
,N
m
L，b＝1,2,
…
,N
p
，[D]
a,b
表示矩阵D第a行第b列的元素，D按层分块表示为其中D
(1)
,D
(2)
,
…
,D
(Nm)
为L
×
N
p
维矩阵，D按阵元分块表示为其中d
(l)
为N
p
×
1维向量，[d
(l)
]
b
＝1表示第l个阵元属于第b个子阵的极化类型，l＝1,2,
…
,N
m
L，b＝1,2,
…
,N
p
，[d
(l)
]
b
表示矢量d
(l)
的第b个元素；J为N
p
×
6维选择矩阵，每行有且仅有一个元素为1，其余元素均为0，其表征从3个轴向与x、y和z轴平行的偶极子以及3个法线方向与x、y和z轴平行的磁环天线中选择的N
p
个子阵的阵元，为表征6种多极化阵元极化类型的6
×
2维矩阵：(3)记α
m
、β
m
分别表示第m个信号源的波达方向与y轴和x轴之间的夹角，则θ
m
、φ
m
、α
m
和β
m
满足以下关系：sinφ
m
sinθ
m
＝cosα
m
,sinφ
m
cosθ
m
＝cosβ
m
，则空域导引矢量a
s,m
重写为其中其中此外，根据极化域导引矢量的数学结构和其与a
s,m
的关系，空域和极化域联合域导引矢量重写为其中I
n
表示n
×
n维单位矩阵，表示克罗内克积，参量仅与空域参数θ
m
、φ
m
有关，仅与多极化面阵的天线极化类型有关，仅与极化参数有关，因此通过上述操作，空域
参数和其余与天线极化特性相关的角度参数以及极化参数实现了解耦；(4)所设计级联稀疏多极化面阵的各层空域导引矢量进一步分块表示为：示为：示为：其中属于不同层、不同子阵的空域导引矢量表示为其中属于不同层、不同子阵的空域导引矢量表示为其中属于不同层、不同子阵的空域导引矢量表示为其中属于不同层、不同子阵的空域导引矢量表示为其中属于不同层、不同子阵的空域导引矢量表示为其中属于不同层、不同子阵的空域导引矢量表示为其中属于不同层、不同子阵的空域导引矢量表示为其中属于不同层、不同子阵的空域导引矢量表示为其中属于不同层、不同子阵的空域导引矢量表示为则级联稀疏多极化面阵的接收信号协方差矩阵R
xx
表示为：其中，表示第m个信号源的功率，σ2表示噪声功率，(
·
)
H
表示共轭转置操作，为L
×
L维矩阵，p,q＝1,2,
…
,N
m
，，R
xx
被分块为个子阵，接下来对R
xx
的变换也可以据此分为个步骤依照如下方法进行：
其中表示为其中D
(1)
(1:L0:end,:)表示D
(1)
的第1,1+L0,
…
,[1+(N
p
‑
1)L0]行的元素组成的子矩阵，(
·
)*表示共轭操作；进一步被简化为其中ρ
11,m
＝δ
11,m
，，ρ
22,m
＝δ
22,m
，
…
，，R
xx
分块表示为p,q＝1,2,
…
,N
m
，u,v＝1,2,
…
,N
p
，A(m1:m2,n1:n2)表示矩阵A第m1到m2行和第n1到n2列交叉部分的元素组成的子矩阵；实际情况下，R
xx
根据K个采样快拍近似计算得到，即：
其中t
k
表示第k个采样快拍对应的时刻；接下来对所提阵列协方差矩阵的各分块子矩阵进行空间和极化联合域平滑处理操作，首先对进行矢量化操作得到矢量进行矢量化操作得到矢量其中，表示对矩阵矢量化操作，即把矩阵中的各列依次堆叠以形成一个新的矢量，表示纯空域导引矩阵，表示Khatri

【专利技术属性】
技术研发人员：悦亚星，杨天卓，周成伟，史治国，陈积明，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：