CN114280530B 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 （杭州电子科技大学）

(19)国家知识产权局(12)发明专利地址310018浙江省杭州市下沙高教园区2号大街(特殊普通合伙)33240专利代理师陈炜审查员万夏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公开了一种基于非共位非均匀极化基于重构的共位均匀极化阵列理论协方差矩阵号极化参数。本发明方法阵列采用非共位的方布置非共位非均匀极化阵列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2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，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[n,y2₂,…,7M·d=nd,向量η=[7,72,…,7₃₂]为y方向极化阵元位置指示向量，包含不连针对第k个信号的导向矢量；a*(θ)的第m₁个元素为aᴹ(θ)=exp[j(2πymdcosθ)/λ],j=√-1;s,n(t)表示第k个信号在第t个快拍时的水平极化分量，e(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s,(t)∈CK×=[s,(t),…,sK,h(t)⁷表示y方向极化子分量构成的向量s,(t)∈C¹=[s[,(t),…,sk,第k个部分极化信号s(t)=[sk,h(t),s,v(t)]的相干矩阵为：3椭圆率矢量w(β)=[cosβjsinβ],β表示第k个信号的极化椭圆率角，的噪声n(t)∈C=[e(t),e,(t)”;阵列输出对应的理论协方差矩阵R=E[z(t)z(t)"],阵列输出对应的样本协方差矩阵步骤(4)构造用于重构共位均匀极化阵列理论协方表示共位均匀极化阵列中x方向极化子阵列与y方向极化子阵列的互协方4按γ中的元素值取矩阵R′xx对应的行，以及按γ中的元素取矩阵R′对应的列，最终构成的求解得到R′的估计值R,o²的估计值ô²,R′的估计值R和R′,的估计值阵R′,;步骤(5)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：将估计值R和R,的和R,=R′+R,进行特征分解，提取由K个最大特征值对应的特征向量构成信号子空间U;映射矩阵Ψ=UU,U,为删去U的第一行后得到的矩阵，U为删去U的最后一行后得到的矩阵，()表示求矩阵的伪逆；对出进行特征分解得到K个特征值p,k=1,2,…,K,则信号的方向估计为：Arg(·)表示求复数的辐角主值，arcosS[·]表示求反余弦，步骤(6)求解信号相干矩阵并估计信号极化参数：(6-1)利用估计出的波达方向，重构各个部分极化信号的相干矩阵R;(6-2)对估计出的各个信号相干矩阵进行处理，重构得到的第k个相干矩阵R:对R,进行特征值分解，特征值分解的两个特征值分别为b,1,bk,₂,且b,₁>bk,2,bk,2对应化椭圆率角食估计为：α=Arg(の)/2,β=π/4-arctano|,中间变量arctan[·]表示求反正切。2.如权利要求1所述的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(4)采用内点法进行求解或采用数学工具包CVX进行求解，得到R′的估计值R,o²的估计值²,R′的估计值R和R′yy的估计值阵R,。3.如权利要求1所述的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(6-1-1)估计噪声方差，采用以下两种去噪方式：方式①是运用子空间的方法，对重构得到的R′特征分解，然后对其特征值进行排序得到其2M-2K个小的特征值，取平均即为重构信号的噪声方差；方式②是求解步骤(4)的优化问题得到；(6-1-2)去除噪声方差分量：去除噪声分量之后重构输出的协方差矩阵,²为求解得到的噪声方差；5然后分别计算三个中间参数向量：r=Itvec(R),ry=Vtvec(R,)./(-sin(θ),6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领域[0001]本发明属于阵列信号处理技术领域，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。背景技术[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、通信等技术领域。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.ChineseJournalofElectronics,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.XiaonSignalandInformationProcessing(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发明内容[0004]本发明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]本发明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。7[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[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[7,72…7M]·d=nd,向量η=[7,72₂…,7]”为y方向极化阵元位置指示向量，包含不连[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s,(t)∈CK=[s,(1),…,sk,()]”,C表示复数域；a₂(QA)=exp[j(2π7m,dcose)/2];se,v(t)为第k个信号在第t个快拍时的垂直极化分量；e,A,(θ)∈CMz×*=[a'(),a(2),…a²(Oc)],各信号垂直极化分量构成的向量8[0021]椭圆率矢量w(β)=[cosβjsinβ],β表示第k个信号的极化椭圆率角，-π/4≤β包含的噪声n(t)∈CM×=[&(t),ε,(t)]”。[0024]阵列输出对应的理论协方差矩阵R=E[z(t)z(t),阵列输出对应的样本协方差向极化子阵列的协方差矩阵，R,′,表示共位均匀极化阵列中y方向极化子阵列的协方差矩阵，R’,表示共位均匀极化阵列中x方向极化子阵9[0032]上式中的优化问题为凸优化问题，采用内点法进行求解或采用数学工具包进[0034]将估计值R和R′,的和R,=R&+R',进行特征分解，提取由K个最大特征值对应的[0036]对中进行特征分解得到K个特征值p,k=1[0039](6-1)利用估计出的波达方向Ô,重构各个部分极化信号的相干矩阵R。[0044]去除噪声分量之后重构输出的协方差矩阵,²为求解得到的噪声方差；[0046]首先计算转换矩阵V=[a(Q)⑧a(,)…a(O)⑧a(O)],a(Q)均匀极化阵针对于Q的导向矢量，a(O)的第m个元素a(O)=exp[j(2πmdcosQ)/λ],m=1,2,...,M;r,=v+vec(R„)./sin²(θ),其中，(./)表示按元素相除，即点除，则信号相干矩阵重构公式[0049]对R,进行特征值分解，特征值分解的两个特征值分别为bk,1,bk,2,且bk,i>bk,2,,arctan[·]表示求反正切。[0050]本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提出的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中，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。阵列采用非均匀的方式，解除了对于阵列孔径的限制，并且保证了波达方向估计没有模糊，更好地满足参数估计的要求。附图说明[0051]图1是本发明的方法总体流程框图；[0052]图2是本发明中非共位非均匀极化阵结构示意图；[0053]图3是本发明中重构得到的共位均匀极化阵结构示意图；[0054]图4是本发明方法在不同信噪比下与克拉美罗界的估计精度比较示意图；[0055]图5是本发明方法在不同快拍数下与克拉美罗界的估计精度比较示意图；[0056]图6是本发明方法在不同信噪比下极化度估计精度示意图。具体实施方式[0057]以下结合附图和具体实施方式，对发明的技术方案和效果作进一步详细说明。[0058]如图1所示，基于开关的部分极化信号多极化阵列接收及测向方法，具体如下：[0059]步骤一：布置非共位非均匀极化阵列：该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，且共同构成均匀线阵。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。[0060]阵列布置方式具体为：如图2所示，在三维直角坐标系中，沿y轴放置两个非均匀子[0061]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[Y₁,Y₂,…,yM·d=γd,向量y=[Y₁,yY₂…yM]为x方向极化阵元位置指示向量，包含不连[0062]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[7n,72…,7M]·d=ηd,向量η=[7,72…,7%⁷为y方向极化阵元位置指示向量，包含不连[0063]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(γUη)d,其中向量γUη包含连续不重复整数，U表示合并操作。[0064]步骤二：构建部分极化信号接收模型并采样：假设来自θ=[0₁,02₂,…,θ]方向的Ka盖(OA)=exp[j(2πymdcosθ)/2],j=√-1;sk,h(t)表示第k个信号在第t个快拍时的水平极am(Q)=exp[j(2π7m,dcosθ)/2];se,v(t)为第k个信号在第t个快拍时的垂直极化分量；eyA,(0)∈CM²×K=[a’(C),a'(₂),…a(0k)],各信号垂直极化分量构成的向量信号两个极化分量的相关系数。²,和σ²,分别为第k个信号的未极化功率和完全极化功矩阵表示表示均值为0,协方差矩阵为∑的渐进复正态分布，列与y方向极化子阵列的互协方差矩阵；R′y(y,n)表示按γ和η中的元素值分别取矩阵法进行求解或采用数学工具包CVX进行求解，得到R′的估计值R′,o²的信号子空间U;[0086](6-1)利用估计出的波达方向Ô,重构各个[0091]去除噪声分量之后重构输出的协方差矩阵,²为求解均匀极化阵针对于Ô的导向矢量，a(O)的第m个元素a(O)=exp[j(2πmdcosθ)/a],m=1,R,进行特征值分解，特征值分解的两个特征值分别为b..1,b₆,2,且b,>b征向量ζ=[k,1,5k,2],则该