发明内容
本发明的目的是提供一种可以减小耦合误差的电磁矢量传感器阵列的多参数联合估计方法。
为了实现上述目的,本发明采取如下的技术解决方案:
双L型电磁矢量传感器阵列的多参数联合估计四元数方法,所述电磁矢量传感器阵列由N个等间隔布置于x轴上的阵元和N个等间隔布置于y轴上的阵元构成,坐标原点上的阵元两轴共用,阵元数量为2N-1个,x轴上阵元间的间距为dx,y轴上阵元间的间距为dy,所述阵元为一对沿z轴拉伸分离的正交电偶极子,将平行于x轴方向的电偶极子相对阵元中心向上移dz,将平行于y轴方向的电偶极子相对阵元中心向下移dz,阵元中心所在平面的坐标原点为o,x轴方向电偶极子子阵的坐标原点为o’,y轴方向电偶极子子阵的坐标原点为o”,其中,dx<λmin/2,dy<λmin/2,2dz<λmin/2,λmin为入射信号的最小波长;
多参数联合估计方法的步骤如下:阵列接收K个完全极化、互不相关的横电磁波入射信号,
步骤一、对电磁矢量传感器阵列的接收数据进行M次采样得到第一组采样数据X1,延时ΔT后对电磁矢量传感器阵列的接收数据同步样采样M次得到第二组采样数据X2;X1和X2均为(4N-2)×M的矩阵,矩阵中的前(2N-1)×M个元素为y轴方向电偶极子的接收数据,后(2N-1)×M个元素为x轴方向电偶极子的接收数据;
步骤二、将两组采样数据分别按照同阵元的x轴方向电偶极子和y轴方向电偶极子的接收数据叠加构成全阵列接收四元数数据Z;
第k个完全极化单位功率电磁波信号入射到第n个阵元上,该阵元的x轴方向电偶极子的接收数据x'k(n)=ekxqxqn(θk,φk)+nex(n),y轴方向电偶极子的接收数据y'k(n)=ekyqyqn(θk,φk)+ney(n),其中,ekx是坐标系oxy的坐标原点o处x轴方向电偶极子接收的x轴方向的电场,qx是坐标系o'x'y'中x轴方向电偶极子相对于其阵元中心的相位差,qn(θk,φk)为第n个阵元的阵元中心相对于坐标系oxy的坐标原点o的相位差,nex(n)为第n个阵元的x轴方向电偶极子接收的噪声,eky是坐标原点o处y轴方向电偶极子接收的y轴方向的电场,qy是坐标系o”x”y”中y轴方向电偶极子相对于其阵元中心的相位差,ney(n)为第n个阵元的y轴方向电偶极子接收的噪声,θk为第k个入射信号的俯仰角,φk为第k个入射信号的方位角,γk为第k个入射信号的辅助极化角,ηk为第k个入射信号的极化相位差;
将第n个阵元的x轴方向电偶极子的接收数据x'k(n)和y轴方向电偶极子的接收数据y'k(n)叠加得到该阵元的四元数数据式中的 为第n个阵元的x轴方向和y轴方向电偶极子接收的电场的四元数表示,N1n是第n个阵元接收的噪声的四元数表示;
每个阵元的接收数据都按照以上方式构成四元数数据,则第一组采样数据的四元数数据矩阵为:Z1=A1S+N1,式中的A1=[a1(θ1,φ1,γ1,η1),…,a1(θk,φk,γk,ηk),…,a1(θK,φK,γK,ηK)]为阵列导向矢量,q(θk,φk)为整个阵列相位中心的空域导向矢量,N1是第一组采样数据的噪声的四元数表示,S为K个互不相关信号构成幅度矩阵;
第二组采样数据四元数数据矩阵:Z2=A2S+N2,式中的N2是第二组采样数据中噪声的四元数表示,A2是延时ΔT后的阵列导向矢量,A2=A1Φ,Φ为时延矩阵;
第一组采样数据和第二组采样数据的四元数数据构成全阵列接收四元数数据Z:
其中, 是全阵列四元数噪声, 是全阵列导向矢量;
步骤三、计算全阵列接收四元数数据Z的自相关矩阵Rz,对自相关矩阵进行四元数特征分解,得到阵列导向矢量的估计值延时ΔT后的阵列导向矢量估计值和全数据阵列导向矢量估计值
其中,(·)H表示转置复共轭操作,A为全数据阵列导向矢量,Rs为入射信号的自相关函数,对Rz进行四元数矩阵特征分解得到信号子空间Es,根据子空间原理,存在K×K的非奇异矩阵T,Es=AT,取Es的前2N-1行元素组成矩阵E1,取后2N-1行元素组成矩阵E2,由信号子空间的定义,E1=A1T,E2=A2T=A1ΦT,则是矩阵E1的伪逆矩阵,I为单位阵;
对矩阵进行四元数特征分解,K个大特征值构成延时矩阵Φ的估计值其对应的特征矢量构成非奇异矩阵T的估计值从而得到阵列导向矢量的估计值延时ΔT后的阵列导向矢量估计值及全数据阵列导向矢量估计值
步骤四、由阵列导向矢量估计值得到阵列空域导向矢量估计值分别利用x轴和y轴上的空域导向矢量矩阵估计值,根据平移不变关系得到第k个入射信号的x轴方向和y轴方向的方向余弦估计值,从而得到第k个入射信号的二维到达角的估计值;
阵列空域导向矢量估计值
其中,表示的第k列,表示第k列的第一个元素,是x轴方向的子阵空域导向矢量的估计值,是y轴方向的子阵空域导向矢量的估计值;
K个信号x轴上的空域导向矢量估计值构成的矩阵为Qx=[q'1x,…,q'kx,…,q'Kx],K个信号y轴上的空域导向矢量估计值构成的矩阵为Qy=[q'1y,…,q'ky,…,q'Ky],坐标原点及x轴上的N-1个阵元的空间相位因子构成x轴上的空域导向矢量估计值坐标原点及y轴上的N-1个阵元的空间相位因子构成y轴上的空域导向矢量估计值Qx的前N-1行元素构成Qx1,Qx的后N-1行元素构成Qx2,Qy的前N-1行元素构成Qy1,Qy的后N-1行元素构成Qy2,根据Qx2=Qx1Φx和Qy2=Qy1Φy以及 和 得到第k个入射信号的x轴方向的方向余弦估计值和y轴方向的方向余弦估计值
其中,λk是第k个入射信号波长,Φx(k,k)表示矩阵Φx的第k行第k列的元素,Φy(k,k)表示矩阵Φy的第k行第k列的元素;
根据方向余弦估计值得到第k个入射信号的方位角估计值和俯仰角估计值
步骤五、由阵列导向矢量估计值重构x轴方向的电偶极子子阵导向矢量估计值和y轴方向的电偶极子子阵导向矢量估计值得到阵元中心处的x轴方向电偶极子子阵的阵列导向矢量估计值和阵元中心处的y轴方向电偶极子子阵的阵列导向矢量估计值根据子阵的阵列导向矢量间的旋转不变关系得到辅助极化角估计值和极化相位差估计值
阵列导向矢量估计值 是的实部, 是的三个虚部,阵列导向矢量估计值重构x轴方向的电偶极子子阵导向矢量估计值和y轴方向的电偶极子子阵导向矢量估计值阵元中心处的x轴方向电偶极子子阵的阵列导向矢量估计值 其中 阵元中心处的y轴方向的电偶极子子阵的阵列导向矢量估计值为 和间的旋转不变关系为 其中, 由可得到 令 则辅助极化角估计值和极化相位差估计值分别为:
前述步骤中的k=1,…,K,n=1,…,2N-1,为四元数的虚数单位。
本发明采用拉伸分离的正交电偶极子对作为电磁矢量传感器阵列的阵元,引入了四元数模型来描述拉伸正交电偶极子对,建立了基于四元数表示方法的阵列信号处理模型,利用两组同步采样数据构造自相关矩阵,对自相关矩阵进行四元数特征分解并根据子空间理论得到阵列导向矢量的估计,由空域导向矢量分块运算得到信号到达角估计,利用阵列导向矢量重构电偶极子子阵导向矢量,从而得到极化参数的估计。四元数方法能够更好地保持四元数矢量特性,因而获得了比长矢量方法更好的性能,而且具有更小的耦合误差。本发明基于四元数这种全新的信号处理工具,利用四元数虚部间的正交特性,可以更好的体现电磁矢量传感器各组成分量的正交特性,拉伸可以降低组成天线间的耦合,提高参数估计的精度。
具体实施方式
为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显,下文特举本发明实施例,并配合所附图示,做详细说明如下。
图2所示为本发明实施例的电磁矢量传感器阵列的示意图。本发明的电磁矢量传感器阵列由N个间隔布置于x轴上的阵元和N个间隔布置于y轴上的阵元构成,坐标原点上的阵元两轴共用,所以整个阵列共有2N-1个阵元,N为x轴(或y轴)上的阵元数,其可为任意整数,x轴上阵元间的间距为dx,y轴上阵元间的间距为dy。阵列的阵元为一对沿z轴拉伸分离的正交电偶极子,将平行于x轴方向的电偶极子相对阵元中心向上平移dz,将平行于y轴方向的电偶极子相对阵元中心向下平移dz,形成由上层子阵和下层子阵构成的双L型阵列,即上层子阵的电偶极子的方向平行于x轴,下层子阵的电偶极子的方向平行于y轴,每一阵元的位于上层子阵的电偶极子与位于下层子阵的电偶极子之间的距离均为2dz。阵元中心位于坐标系oxy中的x轴和y轴上,图2中阵元中心用“.”表示,并用1,2…n...,2N-1标注,x轴方向电偶极子子阵(上层子阵)的坐标原点为o’,y轴方向电偶极子子阵(下层子阵)的坐标原点为o”,dz是拉伸分离后的电偶极子与阵元中心之间的距离。其中,dx<λmin/2,dy<λmin/2,2dz<λmin/2,λmin为入射信号的最小波长,λk是第k个入射信号的波长。
参照图3,本发明的多参数联合估计方法的步骤如下:电磁矢量传感器阵列接收K个完全极化、互不相关的横电磁波信号,K为入射电磁波的数量,K≤N-1,
步骤一、对电磁矢量传感器阵列的接收数据(即输出信号)进行M次采样得到第一组采样数据X1,延时ΔT后对电磁矢量传感器阵列的接收数据同步采样M次得到第二组采样数据X2;X1和X2均为(4N-2)×M的矩阵,矩阵中的前(2N-1)×M个元素为y轴方向电偶极子的接收数据,后(2N-1)×M个元素为x轴方向电偶极子的接收数据,M为采样次数,其可为任意整数;
步骤二、将两组采样数据分别按照同阵元的x轴方向电偶极子和y轴方向电偶极子的接收数据叠加构成全阵列接收四元数数据Z;
第k个完全极化单位功率电磁波信号入射到第n个阵元上时,该阵元的x轴方向电偶极子接收的x轴方向的电场为e'kx(n)=ekxqxqn(θk,φk),y轴方向电偶极子接收的y轴方向的电场为e'ky(n)=ekyqyqn(θk,φk),其中,是坐标系oxy的坐标原点o处x轴方向电偶极子接收的x轴方向的电场,是坐标系o'x'y'中x轴方向电偶极子相对于其阵元中心的相位差,是坐标原点o处y轴方向电偶极子接收的y轴方向的电场,是坐标系o”x”y”中y轴方向电偶极子相对于其阵元中心的相位差,qn(θk,φk)为第n个阵元的阵元中心相对于坐标系oxy的坐标原点o的相位差,(xn,yn)为第n个阵元中心的位置坐标,θk(0≤θk≤90°)为第k个入射信号的俯仰角,φk(0≤φk≤360°)为第k个入射信号的方位角,γk(0≤γk≤90°)和ηk(-180°≤ηk≤180°)为第k个入射信号的用Jones矢量描述法表示的极化参数,γk是第k个入射信号的辅助极化角,描述极化的幅度比,ηk是第k个入射信号的极化相位差,k=1,…,K,n=1,…,2N-1;
由于实际中存在噪声,因此,第k个完全极化单位功率电磁波信号入射到第n个阵元上时,该阵元的x轴方向电偶极子的接收数据为x'k(n)=e'kx(n)+nex(n)=ekxqxqn(θk,φk)+nex(n),即接收数据包括该阵元的x轴方向电偶极子接收的x轴方向的电场e'kx(n)和该阵元的x轴方向电偶极子接收的噪声nex(n),该阵元的y轴方向电偶极子的接收数据为y'k(n)=e'ky(n)+ney(n)=ekyqyqn(θk,φk)+ney(n),同样也包括y轴方向电偶极子接收的y轴方向的电场e'ky(n)和y轴方向电偶极子接收的噪声ney(n);
将第n个阵元的x轴方向电偶极子的接收数据x'k(n)和y轴方向电偶极子的接收数据y'k(n)叠加得到该阵元的四元数数据式中的 为第n个阵元的x轴方向和y轴方向电偶极子接收的电场的四元数表示,是第n个阵元接收的噪声的四元数表示;
2N-1个阵元的接收数据都按照以上方式构成四元数数据,则第一组采样数据的四元数数据矩阵为:Z1=A1S+N1,式中的A1=[a1(θ1,φ1,γ1,η1),…,a1(θk,φk,γk,ηk),…,a1(θK,φK,γK,ηK)]是阵列导向矢量,q(θk,φk)为整个阵列相位中心的空域导向矢量, 其中 为x轴上子阵相位中心的空域导向矢量,是x轴上除坐标原点o以外的N-1个阵元的阵元中心相对于坐标原点o的空间相位因子构成的空域导向矢量, 为y轴上子阵相位中心的空域导向矢量,是y轴上除坐标原点o以外的N-1个阵元的阵元中心相对于坐标原点o的空间相位因子构成的空域导向矢量,i=1,…,N-1,是第一组采样数据的噪声的四元数表示,Nex和Ney分别是x轴方向和y轴方向2N-1个电偶极子直接接收的高斯白噪声矢量,它们皆均值为零、方差为σ2,S=[s1,…,sK]T为K个互不相关信号构成幅度矩阵,为四元数的虚数单位;
第二组采样数据也按照与第一组采样数据同样的方式构成四元数数据矩阵:Z2=A2S+N2=A1ΦS+N2,式中的是第二组采样数据中噪声的四元数表示,N'ex和N'ey分别是x轴方向和y轴方向2N-1电偶极子延时ΔT后接收的高斯白噪声矢量,它们皆均值为零、方差为σ2,A2是延时ΔT后的阵列导向矢量,A2=A1Φ,Φ为时延矩阵, fk为第k个入射信号的频率;
由第一组采样数据和第二组采样数据的四元数数据构成全阵列接收四元数数据Z:
其中, 是全阵列四元数噪声, 是全阵列导向矢量;
步骤三、计算全阵列接收四元数数据Z的自相关矩阵Rz,对自相关矩阵进行四元数特征分解,得到阵列导向矢量的估计值延时ΔT后的阵列导向矢量估计值和全数据阵列导向矢量估计值
其中,(·)H表示转置复共轭操作,A为全数据阵列导向矢量,为入射信号的自相关函数,对Rz进行四元数矩阵特征分解得到信号子空间Es,根据子空间原理,存在K×K的非奇异矩阵T,Es=AT,取Es的前2N-1行元素组成矩阵E1,取后2N-1行元素组成矩阵E2,由信号子空间的定义,E1=A1T,E2=A2T=A1ΦT,Φ为时延矩阵,通过矩阵运算得到 表示矩阵E1的伪逆矩阵,I为(2N-1)×(2N-1)的单位阵;
对矩阵进行四元数特征分解,K个大特征值构成延时矩阵Φ的估计值其对应的特征矢量构成非奇异矩阵T的估计值从而得到阵列导向矢量的估计值延时ΔT后的阵列导向矢量估计值及全数据阵列导向矢量估计值
步骤四、由阵列导向矢量估计值得到阵列空域导向矢量估计值根据阵列结构特点,分别利用x轴和y轴上的空域导向矢量矩阵估计值,利用平移不变关系得到第k个入射信号的x轴方向和y轴方向的方向余弦估计值,从而得到第k个入射信号的二维到达角的估计值;
阵列空域导向矢量估计值
其中,表示的第k列,表示第k列的第一个元素,是x轴方向的子阵空域导向矢量的估计值,是y轴方向的子阵空域导向矢量的估计值;
K个信号x轴上的空域导向矢量估计值构成的矩阵为Qx=[q'1x,…,q'kx,…,q'Kx],K个信号y轴上的空域导向矢量估计值构成的矩阵为Qy=[q'1y,…,q'ky,…,q'Ky],坐标原点及x轴上的N-1个阵元的空间相位因子构成x轴上的空域导向矢量估计值坐标原点及y轴上的N-1个阵元的空间相位因子构成y轴上的空域导向矢量估计值Qx的前N-1行元素构成Qx1,Qx的后N-1行元素构成Qx2,同理,Qy的前N-1行元素构成Qy1,Qy的后N-1行元素构成Qy2,根据Qx2=Qx1Φx和Qy2=Qy1Φy以及 和 得到第k个入射信号的x轴方向的方向余弦估计值和y轴方向的方向余弦估计值
其中,Φx(k,k)表示矩阵Φx的第k行第k列的元素,Φy(k,k)表示矩阵Φy的第k行第k列的元素;
根据方向余弦估计值进一步得到第k个入射信号的方位角估计值和俯仰角估计值
步骤五、由阵列导向矢量估计值重构x轴方向的电偶极子子阵导向矢量估计值和y轴方向的电偶极子子阵导向矢量估计值从而进一步得到阵元中心处的x轴方向电偶极子子阵的阵列导向矢量估计值和阵元中心处的y轴方向电偶极子子阵的阵列导向矢量估计值根据子阵的阵列导向矢量间的旋转不变关系得到极化参数的估计值;
阵列导向矢量估计值 是的实部,是的三个虚部,为四元数的虚数单位,根据步骤二中四元数矩阵的构成,阵列导向矢量估计值可以表示为由的一个实部和三个虚部重构x轴方向的电偶极子子阵导向矢量估计值和y轴方向的电偶极子子阵导向矢量估计值由于x轴方向电偶极子子阵相对于坐标原点o向上拉开了距离dz,阵元中心处的x轴方向电偶极子子阵的阵列导向矢量估计值 其中 同样的,y轴方向电偶极子子阵相对于坐标原点o向下拉开了距离dz,阵元中心处的y轴方向电偶极子子阵导向矢量估计值为 和间的旋转不变关系为 其中 由可得到 令则第k个入射信号的辅助极化角估计值和极化相位差估计值分别为:
本发明基于拉伸正交电偶极子对阵列,利用两组同步采样数据构造全阵列接收数据及其自相关矩阵,对自相关矩阵进行四元数特征分解,并根据子空间理论得到阵列导向矢量的估计,通过空域导向矢量分块运算得到x轴方向和y轴方向的方向余弦,从而得到信号二维到达角的估计,根据阵列导向矢量重构x轴方向和y轴方向的电偶极子子阵导向矢量,利用两个子阵导向矢量间的关系得到极化参数的估计。
本发明的效果可以通过以下的仿真结果进一步说明:
仿真实验条件如下:
两个等功率非相关窄带源入射信号通过各向同性介质入射到沿x轴和y轴方向放置的正交电偶极子对双L型阵列上。如图2所示,该接收阵列由9个阵元组成,阵元间隔为dx=dy=0.5λmin,dz=0.25λmin,入射信号的参数为:(θ1,φ1,γ1,η1)=(60°,85°,30°,110°),(θ2,φ2,γ2,η2)=(30°,43°,50°,85°),其归一化频率为(f1,f2)=(0.2,0.4)。实验快拍数为1024次,500次独立实验。
仿真实验结果如图4至图11所示。图4至图7为信噪比是0dB时,拉伸和共点正交电偶极子对阵列的到达角和极化角估计的散布图。从图4至图7可以看出共点正交电偶极子对阵列的参数估计精度低于拉伸正交电偶极子对阵列的参数估计精度,特别是极化角的估计共点阵列的估计偏离了真值。从图4和图6可以看出共点阵列和拉伸阵列的到达角估计值基本相同。从图5可以看出,共点正交电偶极子对阵列对第一个信号的极化角估计值为(γ1,η1)=(29°,117°),对第二个信号的极化角估计值为(γ2,η2)=(52°,87°),估计值明显偏离了真实值,而图7可以看出拉伸电偶极子对阵列对第一个信号的极化角估计值的均值为(γ1,η1)=(30°,110°),对第二个信号的极化角估计值的均值为(γ2,η2)=(50°,85°),它们均等于真实值是无偏估计。
从图8到图11可以看出拉伸电偶极子对阵列的俯仰角、方位角、辅助极化角、极化相位差估计的均方根误差均优于共点电偶极子对阵列的估计情况,主要是拉伸后互藕大大降低了。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明做任何形式上的限制,虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。