CN106990386A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供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，首先对所述极化敏感旋转阵列的阵列接收信号进行数学建模，之后对MUSIC算法的谱函数中的导向矢量的表达式进行修正，从而利用MUSIC算法实现入射信号DOA与极化参数的联合估计。本发明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。该阵列可以有效降低***的通道数，极大的降低了***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。

Description

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

技术领域

本发明涉及的是一种阵列信号处理方法，具体地说是极化敏感阵列信号处理方法。

背景技术

基于极化敏感阵列的DOA与极化参数联合估计是阵列信号处理的一个重要研究方向，其主要任务是对极化敏感阵列接收到的信号的入射方向与极化状态进行估计。相对于基于标量阵列而言，极化敏感阵列可以同时敏感到入射信号的DOA与极化信息，增加了可利用的信息量，可以有效提高***性能。因此，如何利用极化敏感阵列对入射信号的DOA与极化参数进行估计，是将极化敏感阵列应用于实际测向***的基础。

阵列结构的选择直接影响着MUSIC算法的估计性能。均匀圆阵可以同时对入射信号的二维DOA信息进行估计，并且具有与方位角无关的波束宽度，是实际工程中应用常见的典型阵列之一。基于均匀圆阵的MUSIC算法的测向性能与阵列半径及阵元数相关，理论上，均匀圆阵的半径越大、阵元数越多，算法的估计精度越高。然而，在实际工程应用中，阵元数目的增多同时会带来通道不一致性增大的难题。并且阵元数的增多，意味着***的通道数的增多，以及接收***与信号处理***规模的增大，这极大的增加了***的成本。

发明内容

本发明的目的在于提供利用较少的阵元数估计入射信号的DOA与极化参数的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。

本发明的目的是这样实现的：

本发明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，其特征是：包括天线盘以及与天线盘边缘共形的单偶极子天线阵元1和单偶极子天线阵元2，天线盘以转速R匀速旋转；天线盘位于xoy平面内，将单偶极子天线阵元1与单偶极子天线阵元2分别放置于x轴的正半轴与负半轴，距离坐标原点的距离均为d；天线盘在旋转过程中，天线盘所在平面与旋转轴时刻保持垂直；

(1)在每个单偶极子天线旋转半个周期的过程中，按等时间间隔Δτ选取2M个阵列输出数据，构成虚拟单偶极子极化敏感均匀圆阵的接收数据矢量X＝[X₁,X₂]^T＝ΦAS+N，S为K×1维的入射信号矢量，K为入射信源数，N＝[N₁,N₂]^T为2M×1维阵列接收噪声矢量，N₁与N₂分别为M×1维的阵元1与阵元2接收噪声矢量；

(2)根据接收数据矢量计算协方差矩阵R_x＝E{XX^H}，E{·}表示求期望；

(3)对协方差矩阵R_x进行特征值分解，求得2M个特征值及对应特征向量；

(4)将R_x的2M个特征值进行降序排列，利用协方差矩阵R_x的后2M-K个小特征值对应特征向量张成噪声子空间U_N；

(5)利用式构造二维DOA与极化参数联合估计的谱函数；

(6)改变谱函数中θ,φ,γ与η的取值，对构造的谱函数进行谱峰搜索，找出K个极大值点对应的DOA与极化参数的取值。

本发明还可以包括：

1、在阵列旋转过程中，选取的两个连续阵元之间的时延Δτ远大于接收机的数据采样周期，阵列旋转的转速满足：其中f_s为接收机采样频率，L为快拍数。

2、X₁与X₂分别为由单偶极子天线阵元1与单偶极子天线阵元2的接收数据构成的M×1维阵列接收数据矢量；其中X₁＝Φ₁A₁S+N₁，X₂＝Φ₂A₂S+N₂，Φ＝diag{Φ₁,Φ₂}，Φ₁＝Φ₂＝diag{1,exp(-j2πfΔτ),…,exp(-j2πf(M-1)Δτ)}，Φ₁和Φ₂分别表示单偶极子天线阵元1和单偶极子天线阵元2旋转后得到的附加相位矩阵；为2M×K维阵列流形矩，和分别表示单偶极子天线阵元1和单偶极子天线阵元2旋转后得到的M×K维阵列流形矩，为对应信源k(k＝1,2,…K)的导向矢量，U_k为信源k入射到2M个虚拟阵元时的空域导向矢量矩阵，其计算式为B为虚拟阵列对应的极化敏感矩阵，其具体表达式为b_m＝[sin(2π(m-1)/2M),cos(2π(m-1)/2M)]为虚拟阵元m的极化敏感矢量；为对应信源k的极化空间域导向矢量。

本发明的优势在于：本发明通过对旋转中的阵元的输出数据进行采样，由于阵列的旋转，每个采样点所对应的阵元位置不同，从而构造出虚拟极化敏感均匀圆阵的接收数据矢量，对该虚拟极化敏感均匀圆阵进行数学建模，并利用MUSIC算法实现了入射信号DOA与极化参数的联合估计。极化敏感旋转阵列仅包含两个单偶极子天线，有效降低了接收***与信号处理***的规模，并且可以在一定程度上避免了通道不一致性对测向结果的影响。本发明的有益效果是：可以实现低成本、高精度的二维DOA与极化参数的联合估计。

本发明的优点如下：

首次提出利用单偶极子极化敏感天线构造极化敏感旋转阵列，对阵列旋转的转速及阵列的要求进行了说明；

首次提出利用所述极化敏感旋转阵列的二维DOA与极化参数联合估计方法，利用阵列的旋转构造虚拟极化敏感均匀圆阵，对该均匀圆阵的阵列模型进行数学建模，并利用MUSIC算法估计出入射信号的DOA与计划参数。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为两天线阵列旋转示意图；

图3a为固定极化参数真值，当γ＝40，η＝50时，对应的空间谱图；图3b为固定极化参数真值，当γ＝60，η＝70时，对应的空间谱图；图3c为固定DOA真值，θ＝125，φ＝15时，对应的极化谱图；图3d为固定DOA真值，θ＝55，φ＝25时，对应的极化谱图；

图4为本发明方法与基于极化敏感阵列的联合参数估计算法通道不一致下的RMSE。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-4，本发明的一种由两个单偶极子天线构成的极化敏感旋转阵列，包括与天线盘边缘共形的两个单偶极子天线阵元，天线盘以一定的转速R(r/s)匀速旋转，其特征在于，天线盘位于xoy平面内，将单偶极子天线阵元1与阵元2分别放置于x轴的正半轴与负半轴，距离坐标原点的距离均为d；天线盘在旋转过程中天线盘所在平面与旋转轴时刻保持垂直；为了保证采样数据的稳定性，在阵列旋转过程中，选取的两个连续阵元之间的时延Δτ要远大于接收机的数据采样周期，且有进而可得阵列旋转的转速需要满足：其中f_s为接收机采样频率，L为快拍数，2M为虚拟极化敏感均匀圆阵的阵元数。通常将转速R设置为10～20r/s，根据可得到时延Δτ的取值范围。

同时，本发明一种利用所述极化敏感旋转阵列进行二维DOA与极化参数联合估计的方法，具体步骤如下：

步骤(1)：将两个单偶极子极化敏感天线分别放置于XOY平面内的(d,0)与(0，d)处，设置天线盘的转速为R，使天线盘以该转速逆时针匀速旋转，在旋转的同时保证天线盘与转轴垂直；

步骤(2)：在每个单偶极子天线逆时针旋转半个周期的过程中，按等时间间隔Δτ选取2M(M为正整数)个阵列输出数据，构成虚拟单偶极子极化敏感均匀圆阵的接收数据矢量X＝[X₁,X₂]^T＝ΦAS+N；

S为K×1维的入射信号矢量，K为入射信源数；

N＝[N₁,N₂]^T为2M×1维阵列接收噪声矢量，其中N₁与N₂分别为M×1维的阵元1与阵元2接收噪声矢量；

利用式Φ＝diag{Φ₁,Φ₂}与Φ₁＝Φ₂＝diag{1,exp(-j2πfΔτ),…,exp(-j2πf(M-1)Δτ)}求得由于两单偶极子天线旋转而得到旋转阵列中的各阵元之间的采样延迟产生的附加相位矩阵Φ，其中，f为入射信号频率。

利用式与b_m＝[sin(2π(m-1)/2M),cos(2π(m-1)/2M)]求得虚拟极化敏感均匀圆阵的极化敏感矩阵B；利用式求得对应入射信号DOA与极化参数所有可能取值对应的极化空间域导向矢量；利用式求得对应入射信号DOA与极化参数所有可能取值对应的空域导向矢量矩阵；进而利用求得入射信号DOA与极化参数所有可能取值对应的导向矢量，用于后续的谱函数的构造。

步骤(2)：根据接收数据矢量计算协方差矩阵R_x＝E{XX^H}，E{·}表示求期望；

实际接收数据矩阵是有限长的，则可以利用最大似然估计计算协方差矩阵其中，L为快拍数。

步骤(3)：对协方差矩阵R_x进行特征值分解，求得2M个特征值及对应特征向量；

对R_x进行特征值分解，可得

步骤(4)：将R_x的2M个特征值进行降序排列，利用协方差矩阵R_x的后2M-K个小特征值对应特征向量张成噪声子空间U_N；

将其特征值按降序排列为λ₁≥λ₂…≥λ_M，它们所对应的特征向量为ν₁,ν₂,…,ν_M，且各特征向量是相互正交的，则R的噪声子空间U_N＝[ν_K+1,ν_K+2,…,ν_2M]。

步骤(5)：利用式构造二维DOA与极化参数联合估计的谱函数，θ称为方位角，φ称为仰角，γ称为极化辅助角，η称为极化相位差；

步骤(6)：改变谱函数中θ,φ,γ与η的取值，对构造的谱函数进行谱峰搜索，找出K个极大值点对应的DOA与极化参数的取值。

参照图2，是两天线阵列旋转示意图，空间水平位置上有单偶极子阵元1与阵元2两个阵元，两个阵元分别与圆周边缘共性，D个相互独立的信号源入射到半径为r的天线盘上，现假设基线1-2在XOY平面以Z轴为旋转轴按逆时针方向进行匀速旋转，阵元旋转周期为T，经过Δt(Δt＜T)时间，阵元1、2分别旋转到阵元1'、2'的位置。

参照图3，是所述方法的估计谱图，其中图3a、图3b为对应极化参数真值的空间谱图，谱峰位置对应的方位角与仰角的取值即为入射信号的DOA估计值；图3c、图3d为对应DOA真值的极化谱图，谱峰位置对应的极化辅助角与极化相位差即为入射信号的极化参数估计值。

Claims (3)

1.一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，其特征是：包括天线盘以及与天线盘边缘共形的单偶极子天线阵元1和单偶极子天线阵元2，天线盘以转速R匀速旋转；天线盘位于xoy平面内，将单偶极子天线阵元1与单偶极子天线阵元2分别放置于x轴的正半轴与负半轴，距离坐标原点的距离均为d；天线盘在旋转过程中，天线盘所在平面与旋转轴时刻保持垂直；

(1)在每个单偶极子天线旋转半个周期的过程中，按等时间间隔Δτ选取2M个阵列输出数据，构成虚拟单偶极子极化敏感均匀圆阵的接收数据矢量X＝[X₁,X₂]^T＝ΦAS+N，S为K×1维的入射信号矢量，K为入射信源数，N＝[N₁,N₂]^T为2M×1维阵列接收噪声矢量，N₁与N₂分别为M×1维的阵元1与阵元2接收噪声矢量；

(2)根据接收数据矢量计算协方差矩阵R_x＝E{XX^H}，E{·}表示求期望；

(3)对协方差矩阵R_x进行特征值分解，求得2M个特征值及对应特征向量；

(4)将R_x的2M个特征值进行降序排列，利用协方差矩阵R_x的后2M-K个小特征值对应特征向量张成噪声子空间U_N；

(5)利用式构造二维DOA与极化参数联合估计的谱函数；

(6)改变谱函数中θ,φ,γ与η的取值，对构造的谱函数进行谱峰搜索，找出K个极大值点对应的DOA与极化参数的取值。

2.根据权利要求1所述的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，其特征是：

在阵列旋转过程中，选取的两个连续阵元之间的时延Δτ远大于接收机的数据采样周期，阵列旋转的转速满足：其中f_s为接收机采样频率，L为快拍数。

3.根据权利要求2所述的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，其特征是：

X₁与X₂分别为由单偶极子天线阵元1与单偶极子天线阵元2的接收数据构成的M×1维阵列接收数据矢量；其中X₁＝Φ₁A₁S+N₁，X₂＝Φ₂A₂S+N₂，Φ＝diag{Φ₁,Φ₂}，Φ₁＝Φ₂＝diag{1,exp(-j2πfΔτ),…,exp(-j2πf(M-1)Δτ)}，Φ₁和Φ₂分别表示单偶极子天线阵元1和单偶极子天线阵元2旋转后得到的附加相位矩阵；为2M×K维阵列流形矩，和分别表示单偶极子天线阵元1和单偶极子天线阵元2旋转后得到的M×K维阵列流形矩，为对应信源k(k＝1,2,…K)的导向矢量，U_k为信源k入射到2M个虚拟阵元时的空域导向矢量矩阵，其计算式为B为虚拟阵列对应的极化敏感矩阵，其具体表达式为b_m＝[sin(2π(m-1)/2M),cos(2π(m-1)/2M)]为虚拟阵元m的极化敏感矢量；为对应信源k的极化空间域导向矢量。