本發(fā)明涉及的是一種陣列信號處理方法，具體地說是極化敏感陣列信號處理方法。

背景技術(shù)：

基于極化敏感陣列的doa與極化參數(shù)聯(lián)合估計是陣列信號處理的一個重要研究方向，其主要任務(wù)是對極化敏感陣列接收到的信號的入射方向與極化狀態(tài)進行估計。相對于基于標量陣列而言，極化敏感陣列可以同時敏感到入射信號的doa與極化信息，增加了可利用的信息量，可以有效提高系統(tǒng)性能。因此，如何利用極化敏感陣列對入射信號的doa與極化參數(shù)進行估計，是將極化敏感陣列應(yīng)用于實際測向系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

陣列結(jié)構(gòu)的選擇直接影響著music算法的估計性能。均勻圓陣可以同時對入射信號的二維doa信息進行估計，并且具有與方位角無關(guān)的波束寬度，是實際工程中應(yīng)用常見的典型陣列之一?；诰鶆驁A陣的music算法的測向性能與陣列半徑及陣元數(shù)相關(guān)，理論上，均勻圓陣的半徑越大、陣元數(shù)越多，算法的估計精度越高。然而，在實際工程應(yīng)用中，陣元數(shù)目的增多同時會帶來通道不一致性增大的難題。并且陣元數(shù)的增多，意味著系統(tǒng)的通道數(shù)的增多，以及接收系統(tǒng)與信號處理系統(tǒng)規(guī)模的增大，這極大的增加了系統(tǒng)的成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供利用較少的陣元數(shù)估計入射信號的doa與極化參數(shù)的一種單偶極子極化敏感旋轉(zhuǎn)陣列doa與極化參數(shù)聯(lián)合估計方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

本發(fā)明一種單偶極子極化敏感旋轉(zhuǎn)陣列doa與極化參數(shù)聯(lián)合估計方法，其特征是：包括天線盤以及與天線盤邊緣共形的單偶極子天線陣元1和單偶極子天線陣元2，天線盤以轉(zhuǎn)速r勻速旋轉(zhuǎn)；天線盤位于xoy平面內(nèi)，將單偶極子天線陣元1與單偶極子天線陣元2分別放置于x軸的正半軸與負半軸，距離坐標原點的距離均為d；天線盤在旋轉(zhuǎn)過程中，天線盤所在平面與旋轉(zhuǎn)軸時刻保持垂直；

(1)在每個單偶極子天線旋轉(zhuǎn)半個周期的過程中，按等時間間隔δτ選取2m個陣列輸出數(shù)據(jù)，構(gòu)成虛擬單偶極子極化敏感均勻圓陣的接收數(shù)據(jù)矢量x＝[x1,x2]^t＝φas+n，s為k×1維的入射信號矢量，k為入射信源數(shù)，n＝[n1,n2]^t為2m×1維陣列接收噪聲矢量，n1與n2分別為m×1維的陣元1與陣元2接收噪聲矢量；

(2)根據(jù)接收數(shù)據(jù)矢量計算協(xié)方差矩陣rx＝e{xx^h}，e{·}表示求期望；

(3)對協(xié)方差矩陣rx進行特征值分解，求得2m個特征值及對應(yīng)特征向量；

(4)將rx的2m個特征值進行降序排列，利用協(xié)方差矩陣rx的后2m-k個小特征值對應(yīng)特征向量張成噪聲子空間un；

(5)利用式構(gòu)造二維doa與極化參數(shù)聯(lián)合估計的譜函數(shù)；

(6)改變譜函數(shù)中θ,φ,γ與η的取值，對構(gòu)造的譜函數(shù)進行譜峰搜索，找出k個極大值點對應(yīng)的doa與極化參數(shù)的取值。

本發(fā)明還可以包括：

1、在陣列旋轉(zhuǎn)過程中，選取的兩個連續(xù)陣元之間的時延δτ遠大于接收機的數(shù)據(jù)采樣周期，陣列旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速滿足：其中fs為接收機采樣頻率，l為快拍數(shù)。

2、x1與x2分別為由單偶極子天線陣元1與單偶極子天線陣元2的接收數(shù)據(jù)構(gòu)成的m×1維陣列接收數(shù)據(jù)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分別表示單偶極子天線陣元1和單偶極子天線陣元2旋轉(zhuǎn)后得到的附加相位矩陣；為2m×k維陣列流形矩，和分別表示單偶極子天線陣元1和單偶極子天線陣元2旋轉(zhuǎn)后得到的m×k維陣列流形矩，為對應(yīng)信源k(k＝1,2,…k)的導(dǎo)向矢量，uk為信源k入射到2m個虛擬陣元時的空域?qū)蚴噶烤仃?，其計算式?imgfile="bda0001269041540000035.gif"wi="700"he="52"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>b為虛擬陣列對應(yīng)的極化敏感矩陣，其具體表達式為bm＝[sin(2π(m-1)/2m),cos(2π(m-1)/2m)]為虛擬陣元m的極化敏感矢量；為對應(yīng)信源k的極化空間域?qū)蚴噶俊?/p>

本發(fā)明的優(yōu)勢在于：本發(fā)明通過對旋轉(zhuǎn)中的陣元的輸出數(shù)據(jù)進行采樣，由于陣列的旋轉(zhuǎn)，每個采樣點所對應(yīng)的陣元位置不同，從而構(gòu)造出虛擬極化敏感均勻圓陣的接收數(shù)據(jù)矢量，對該虛擬極化敏感均勻圓陣進行數(shù)學(xué)建模，并利用music算法實現(xiàn)了入射信號doa與極化參數(shù)的聯(lián)合估計。極化敏感旋轉(zhuǎn)陣列僅包含兩個單偶極子天線，有效降低了接收系統(tǒng)與信號處理系統(tǒng)的規(guī)模，并且可以在一定程度上避免了通道不一致性對測向結(jié)果的影響。本發(fā)明的有益效果是：可以實現(xiàn)低成本、高精度的二維doa與極化參數(shù)的聯(lián)合估計。

本發(fā)明的優(yōu)點如下：

首次提出利用單偶極子極化敏感天線構(gòu)造極化敏感旋轉(zhuǎn)陣列，對陣列旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速及陣列的要求進行了說明；

首次提出利用所述極化敏感旋轉(zhuǎn)陣列的二維doa與極化參數(shù)聯(lián)合估計方法，利用陣列的旋轉(zhuǎn)構(gòu)造虛擬極化敏感均勻圓陣，對該均勻圓陣的陣列模型進行數(shù)學(xué)建模，并利用music算法估計出入射信號的doa與計劃參數(shù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖；

圖2為兩天線陣列旋轉(zhuǎn)示意圖；

圖3a為固定極化參數(shù)真值，當γ＝40，η＝50時，對應(yīng)的空間譜圖；圖3b為固定極化參數(shù)真值，當γ＝60，η＝70時，對應(yīng)的空間譜圖；圖3c為固定doa真值，θ＝125，φ＝15時，對應(yīng)的極化譜圖；圖3d為固定doa真值，θ＝55，φ＝25時，對應(yīng)的極化譜圖；

圖4為本發(fā)明方法與基于極化敏感陣列的聯(lián)合參數(shù)估計算法通道不一致下的rmse。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述：

結(jié)合圖1-4，本發(fā)明的一種由兩個單偶極子天線構(gòu)成的極化敏感旋轉(zhuǎn)陣列，包括與天線盤邊緣共形的兩個單偶極子天線陣元，天線盤以一定的轉(zhuǎn)速r(r/s)勻速旋轉(zhuǎn)，其特征在于，天線盤位于xoy平面內(nèi)，將單偶極子天線陣元1與陣元2分別放置于x軸的正半軸與負半軸，距離坐標原點的距離均為d；天線盤在旋轉(zhuǎn)過程中天線盤所在平面與旋轉(zhuǎn)軸時刻保持垂直；為了保證采樣數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，在陣列旋轉(zhuǎn)過程中，選取的兩個連續(xù)陣元之間的時延δτ要遠大于接收機的數(shù)據(jù)采樣周期，且有進而可得陣列旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速需要滿足：其中fs為接收機采樣頻率，l為快拍數(shù)，2m為虛擬極化敏感均勻圓陣的陣元數(shù)。通常將轉(zhuǎn)速r設(shè)置為10～20r/s，根據(jù)可得到時延δτ的取值范圍。

同時，本發(fā)明一種利用所述極化敏感旋轉(zhuǎn)陣列進行二維doa與極化參數(shù)聯(lián)合估計的方法，具體步驟如下：

步驟(1)：將兩個單偶極子極化敏感天線分別放置于xoy平面內(nèi)的(d,0)與(0，d)處，設(shè)置天線盤的轉(zhuǎn)速為r，使天線盤以該轉(zhuǎn)速逆時針勻速旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的同時保證天線盤與轉(zhuǎn)軸垂直；

步驟(2)：在每個單偶極子天線逆時針旋轉(zhuǎn)半個周期的過程中，按等時間間隔δτ選取2m(m為正整數(shù))個陣列輸出數(shù)據(jù)，構(gòu)成虛擬單偶極子極化敏感均勻圓陣的接收數(shù)據(jù)矢量x＝[x1,x2]^t＝φas+n；

s為k×1維的入射信號矢量，k為入射信源數(shù)；

n＝[n1,n2]^t為2m×1維陣列接收噪聲矢量，其中n1與n2分別為m×1維的陣元1與陣元2接收噪聲矢量；

利用式φ＝diag{φ1,φ2}與φ1＝φ2＝diag{1,exp(-j2πfδτ),…,exp(-j2πf(m-1)δτ)}求得由于兩單偶極子天線旋轉(zhuǎn)而得到旋轉(zhuǎn)陣列中的各陣元之間的采樣延遲產(chǎn)生的附加相位矩陣φ，其中，f為入射信號頻率。

利用式與bm＝[sin(2π(m-1)/2m),cos(2π(m-1)/2m)]求得虛擬極化敏感均勻圓陣的極化敏感矩陣b；利用式求得對應(yīng)入射信號doa與極化參數(shù)所有可能取值對應(yīng)的極化空間域?qū)蚴噶?；利用?imgfile="bda0001269041540000053.gif"wi="700"he="45"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>求得對應(yīng)入射信號doa與極化參數(shù)所有可能取值對應(yīng)的空域?qū)蚴噶烤仃?；進而利用求得入射信號doa與極化參數(shù)所有可能取值對應(yīng)的導(dǎo)向矢量，用于后續(xù)的譜函數(shù)的構(gòu)造。

步驟(2)：根據(jù)接收數(shù)據(jù)矢量計算協(xié)方差矩陣rx＝e{xx^h}，e{·}表示求期望；

實際接收數(shù)據(jù)矩陣是有限長的，則可以利用最大似然估計計算協(xié)方差矩陣其中，l為快拍數(shù)。

步驟(3)：對協(xié)方差矩陣rx進行特征值分解，求得2m個特征值及對應(yīng)特征向量；

對rx進行特征值分解，可得

步驟(4)：將rx的2m個特征值進行降序排列，利用協(xié)方差矩陣rx的后2m-k個小特征值對應(yīng)特征向量張成噪聲子空間un；

將其特征值按降序排列為λ1≥λ2…≥λm，它們所對應(yīng)的特征向量為ν1,ν2,…,νm，且各特征向量是相互正交的，則r的噪聲子空間un＝[νk+1,νk+2,…,ν2m]。

步驟(5)：利用式構(gòu)造二維doa與極化參數(shù)聯(lián)合估計的譜函數(shù)，θ稱為方位角，φ稱為仰角，γ稱為極化輔助角，η稱為極化相位差；

步驟(6)：改變譜函數(shù)中θ,φ,γ與η的取值，對構(gòu)造的譜函數(shù)進行譜峰搜索，找出k個極大值點對應(yīng)的doa與極化參數(shù)的取值。

參照圖2，是兩天線陣列旋轉(zhuǎn)示意圖，空間水平位置上有單偶極子陣元1與陣元2兩個陣元，兩個陣元分別與圓周邊緣共性，d個相互獨立的信號源入射到半徑為r的天線盤上，現(xiàn)假設(shè)基線1-2在xoy平面以z軸為旋轉(zhuǎn)軸按逆時針方向進行勻速旋轉(zhuǎn)，陣元旋轉(zhuǎn)周期為t，經(jīng)過δt(δt＜t)時間，陣元1、2分別旋轉(zhuǎn)到陣元1'、2'的位置。

參照圖3，是所述方法的估計譜圖，其中圖3a、圖3b為對應(yīng)極化參數(shù)真值的空間譜圖，譜峰位置對應(yīng)的方位角與仰角的取值即為入射信號的doa估計值；圖3c、圖3d為對應(yīng)doa真值的極化譜圖，譜峰位置對應(yīng)的極化輔助角與極化相位差即為入射信號的極化參數(shù)估計值。