CN107064862A - 电磁矢量传感器线阵解相干music参数估计方法 - Google Patents

电磁矢量传感器线阵解相干music参数估计方法 Download PDF

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Abstract

电磁矢量传感器线阵解相干MUSIC参数估计方法，M个任意分布在y轴的电磁矢量传感器线阵接收K个相干窄带、平稳远场电磁信号，阵列获取N次同步采样数据，根据子阵旋转不变特性得到变换前数据协方差矩阵、变换后的数据协方差矩阵和变换前后数据互协方差矩阵，由变换前、变换后和变换前后的数据协方差矩阵得到解相干后的数据协方差矩阵，对解相干后的数据协方差矩阵进行奇异值分解得到信号子空间和噪声子空间，利用噪声子空间构造MUSIC空间谱，通过角度域的一维MUSIC谱峰搜索得到到达角的估计值，本发明方法联合利用空间旋转解相干和前后项平滑的思想，在不损失阵列孔径的前提下大大提高了参数估计的精度，且对于均匀和非均匀线阵均成立。

Description

电磁矢量传感器线阵解相干MUSIC参数估计方法
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及一种电磁矢量传感器阵列的相干源到达角估计方法。
背景技术
在实际中由于信号传输过程的多径现象和回波信号以及人为干扰，使得相关信号源非常普遍，所以基于相关源的检测和估计是信号处理的重要研究课题。当入射信号相互独立时子空间类方法有很好的参数估计性能，但是如果入射的信号是相干信号，以MUSIC为代表的子空间类方法将失效。当入射信号是相干信号时，信号子空间的维数将小于信号源个数，信号子空间扩散到了噪声子空间，从而导致信号子空间和噪声子空间不完全垂直，从而导致子空间类方法失效，无法进行到达角估计。
为了解决相干信号的上述难题，国内外学者做了大量的研究工作，提出了一系列的解相干方法，这些方法的关键是如何恢复数据协方差矩阵的秩。目前解相干的方法大致可以分为两类，一类是降维的方法，一类是非降维的方法，其中降维方法主要有空间平滑法和矩阵重构法，非降维方法有聚焦方法和虚拟变换方法。这些方法虽然解决了信号的相干问题，但仍存在一些不足，以聚焦处理为代表的非降维方法的计算复杂度大大增加。以空间平滑为代表的降维方法减小了阵列孔径，增大了阵列的波束宽度，降低了阵列的分辨能力。且空间平滑一般只适用于均匀线阵，严重限制了方法的应用范围。
理想电磁矢量传感器由空间共点且相互正交的x轴、y轴和z轴方向电偶极子和x轴、y轴和z轴方向磁偶极子构成的电磁矢量传感器，所有传感器的对应通道相互平行：所有的x轴电偶极子相互平行，所有的y轴电偶极子相互平行，所有的z轴方向电偶极子相互平行，所有的x轴方向磁偶极子相互平行，所有的y轴方向磁偶极子相互平行，以及所有的z轴方向磁偶极子相互平行；本发明针对现有方法的不足提出了适用于均匀和非均匀阵列的电磁矢量传感器阵列解相干MUSIC方法，利用了电磁矢量传感器阵列自身的矢量结构特性，将电磁矢量传感器阵列分成x轴的电场子阵、y轴的电场子阵和z轴的电场子阵、x轴的磁场子阵、y轴的磁场子阵和z轴的磁场子阵六个子阵，利用子阵的旋转不变特性解相干，这种解相干方法称为空间旋转解相干方法。为了进一步提高参数的估计精度，本发明方法联合利用了旋转解相干和前后项平滑的思想提出了一种改进的空间旋转解相干方法，该发明方法在不损失阵列孔径的前提下大大提高了参数估计的精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种电磁矢量传感器线阵解相干MUSIC参数估计方法。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
电磁矢量传感器线阵解相干MUSIC参数估计方法，K个相干窄带、平稳远场电磁信号从不同的方向θk入射到接收阵列上，θk∈[0，π/2]是第k个信号的到达角，所述阵列由M个在y轴上任意分布电磁矢量传感器阵元构成，所述阵元是空间共点的x轴、y轴和z轴方向电偶极子和x轴、y轴和z轴方向磁偶极子构成的电磁矢量传感器，所有传感器的对应通道相互平行：所有的x轴电偶极子相互平行，所有的y轴电偶极子相互平行，所有的z轴方向电偶极子相互平行，所有的x轴方向磁偶极子相互平行，所有的y轴方向磁偶极子相互平行，以及所有的z轴方向磁偶极子相互平行；相邻阵元间距小于等于λmin/2随机分布，λmin为入射声波信号的最小波长；
解相干MUSIC参数估计方法步骤如下：
步骤一、M个电磁矢量传感器的阵元沿y轴构成非均匀线阵接收阵列，接收阵列输出N次同步采样数据Z；
步骤二、根据旋转不变特性选取空间子阵数据、子阵数据协方差矩阵算术平均得到变换前的数据协方差矩阵RZ；
根据阵列数据Z的排布规律将数据分成x轴、y轴和z轴方向电场Zex、Zey、Zez和x轴、y轴和z轴方向的磁场子阵数据Zhx、Zhy、Zhz，计算6个子阵数据的协方差矩阵和 和分别是x轴、y轴和z轴方向的电场数据协方差矩阵，和分别是x轴、y轴和z轴方向磁场数据协方差矩阵，其中， 通过6个子阵数据协方差矩阵的算术平均得到变换前的满秩数据协方差矩阵RZ；
步骤三、对子阵数据进行变换，求变换后的协方差数据矩阵RY和变换前后的互协方差数据矩阵RZY，由协方差数据矩阵RZ、RY和RZY得到解相干后的数据协方差矩阵R，从而恢复数据协方差矩阵的秩；
对子阵数据Zex、Zey、Zez进行变换其中，JM是M×M的反对角变换矩阵，Ji，M-i+1＝1(i＝1，...，M)是JM的第i行第M-i+1列的元素，JM的其它元素全部为零，表示对子阵数据Zex、Zey、Zez取共轭后的数据，对子阵数据Zhx、Zhy、Zhz进行变换 表示对子阵数据Zhx、Zhy、Zhz取共轭后的数据；求变换后子阵数据Yex、Yey、Yez，Yhx、Yhy、Yhz的数据协方差矩阵其中， 求变换前后数据的互协方差矩阵：Qex、Qey、Qez，Qhx、Qhy、Qhz，其中， 变换后协方差矩阵的算术平均得到变换后阵列协方差矩阵RY，变换前后数据的互协方差矩阵求算术平均得到变换后阵列互协方差矩阵RZY，构造解相干数据协方差矩阵R＝[RZY RZ RY]；
步骤四、由解相干后的数据协方差矩阵R进行奇异值分解得到信号子空间Us和噪声空间Un，利用噪声子空间Un构造MUSIC空间谱通过角度域的一维MUSIC谱峰搜索得到到达角的估计值：其中A(θ)是搜索阵列导向矢量，θ∈[0，π/2]为搜索角度。
本发明采用的非均匀线阵，阵列的阵元是空间共点且相互正交的x轴、y轴和z轴方向电偶极子和x轴、y轴和z轴方向磁偶极子构成的电磁矢量传感器，所有传感器的对应通道相互平行：所有的x轴电偶极子相互平行，所有的y轴电偶极子相互平行，所有的z轴方向电偶极子相互平行，所有的x轴方向磁偶极子相互平行，所有的y轴方向磁偶极子相互平行，以及所有的z轴方向磁偶极子相互平行。本方法利用电磁矢量传感器自身具有的正交矢量特性，给出了电磁矢量传感器空间旋转解相干方法，突破了现有空间平滑解相干只适用于均匀阵、阵列孔径缩小、阵列分辨率降低等局限性。改进的空间旋转解相干方法阵列孔径保持不变，阵列分辨率优于空间平滑解相干方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例电磁矢量传感器阵列的示意图；
图2为本发明方法的流程图；
图3为本发明方法信噪比是-4分贝时的MUSIC谱曲线图；
图4为本发明方法信噪比是-2分贝时的MUSIC谱曲线图；
图5为本发明方法信噪比是2分贝时的MUSIC谱曲线图；
图6为本发明方法信噪比是10分贝时的MUSIC谱曲线图。
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1所示为本发明实施例电磁矢量传感器阵列的示意图。本发明的阵列由M个在y轴上任意分布电磁矢量传感器阵元构成，所述阵元是空间共点的x轴、y轴和z轴方向电偶极子和x轴、y轴和z轴方向磁偶极子构成的电磁矢量传感器，所有传感器的对应通道相互平行：所有的x轴电偶极子相互平行，所有的y轴电偶极子相互平行，所有的z轴方向电偶极子相互平行，所有的x轴方向磁偶极子相互平行，所有的y轴方向磁偶极子相互平行，以及所有的z轴方向磁偶极子相互平行；相邻阵元间距小于等于λmin/2随机分布，λmin为入射声波信号的最小波长；
参照图2，本发明的解相干MUSIC参数估计方法的步骤如下：电磁矢量传感器线性阵列接收K个相干窄带、平稳远场电磁信号，
步骤一、M个电磁矢量传感器的阵元沿y轴构成非均匀线阵接收阵列，接收阵列输出N次同步采样数据Z；
步骤二、根据旋转不变特性选取空间子阵数据、子阵数据协方差矩阵算术平均得到变换前的数据协方差矩阵RZ；
根据阵列数据Z的排布规律将数据分成x轴、y轴和z轴方向电场Zex、Zey、Zez和x轴、y轴和z轴方向的磁场子阵数据Zhx、Zhy、Zhz，计算6个子阵数据的协方差矩阵和 和分别是x轴、y轴和z轴方向的电场数据协方差矩阵，和分别是x轴、y轴和z轴方向磁场数据协方差矩阵，其中， 通过6个子阵数据协方差矩阵的算术平均得到变换前的满秩数据协方差矩阵RZ；
步骤三、对子阵数据进行变换，求变换后的协方差数据矩阵RY和变换前后的互协方差数据矩阵RZY，由协方差数据矩阵RZ、RY和RZY得到解相干后的数据协方差矩阵R，从而恢复数据协方差矩阵的秩；
对子阵数据Zex、Zey、Zez进行变换其中，JM是M×M的反对角变换矩阵，Ji，M-i+1＝1(i＝1，...，M)是JM的第i行第M-i+1列的元素，JM的其它元素全部为零，表示对子阵数据Zex、Zey、Zez取共轭后的数据，对子阵数据Zhx、Zhy、Zhz进行变换 表示对子阵数据Zhx、Zhy、Zhz取共轭后的数据；求变换后子阵数据Yex、Yey、Yez，Yhx、Yhy、Yhz的数据协方差矩阵其中， 求变换前后数据的互协方差矩阵：Qex、Qey、Qez，Qhx、Qhy、Qhz，其中， 变换后协方差矩阵的算术平均得到变换后阵列协方差矩阵RY，变换前后数据的互协方差矩阵求算术平均得到变换后阵列互协方差矩阵RZY， 构造解相干数据协方差矩阵R＝[RZY RZ RY]；
步骤四、由解相干后的数据协方差矩阵R进行奇异值分解得到信号子空间Us和噪声空间Un，利用噪声子空间Un构造MUSIC空间谱通过角度域的一维MUSIC谱峰搜索得到到达角的估计值：其中A(θ)是搜索阵列导向矢量，θ∈[0，π/2]为搜索角度。
本发明给出了电磁矢量传感器线阵解相干MUSIC参数估计方法，利用电磁矢量传感器阵列自身的矢量结构特性，将电磁矢量传感器阵列分成x轴的电场子阵、y轴的电场子阵、z轴的电场子阵、x轴的磁场子阵、y轴的磁场子阵和z轴的磁场子阵六个子阵，然后利用子阵数据协方差矩阵和变换后子阵数据协方差矩阵及变换前后的子阵协方差矩阵算术平均解相干；通过解相干后的数据协方差矩阵进行奇异值分解得到噪声子空间；利用噪声子空间构造MUSIC空间谱，通过MUSIC一维谱峰搜索完成到达角的估计，改进的空间旋转解相干方法在不损失阵列孔径的前提下，大大提高了参数估计的精度且对均匀和非均匀线阵均适用，弥补了现有空间平滑解相干方法的不足。
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：
两个相干窄带、远场电磁波信号入射到由8个在y轴上任意分布的电磁矢量传感器阵元构成的线性阵列，如图1所示，阵元间隔小于等于0.5λmin且随机分布，入射信号的参数为：(θ1，θ2)＝(30°，50°)，快拍数为512次。
仿真实验结果如图3至图6所示，图3为信噪比是-4dB时，本发明方法和旋转解相干方法到达角空间谱估计结果，从图3可以看出在同样信噪比条件下，相比于旋转解相干方法，本发明方法的空间谱更尖锐，有更高的到达角参数估计精度；图4为信噪比是-2dB时，本发明方法和旋转解相干方法到达角空间谱估计结果，从图4可以看出在同样信噪比条件下，本发明方法和旋转解相干方法都能够成功检测到两个到达角，但本发明方法的空间谱很尖锐，有更高的到达角参数估计精度；图5和图6分别为信噪比是2dB和10dB时，本发明方法和旋转解相干方法到达角空间谱估计的比较结果，从图5和图6可以看出，相比于旋转解相干方法，本发明方法的空间谱更尖锐，具有更高的到达角参数估计精度，本文方法具有更加优异的旁瓣抑制效果和高的分辨率。
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。

Claims (1)

1.电磁矢量传感器线阵解相干MUSIC参数估计方法，其特征在于：
所述线阵由M个在y轴上任意分布电磁矢量传感器阵元构成，所述阵元是空间共点的x轴、y轴和z轴方向电偶极子和x轴、y轴和z轴方向磁偶极子构成的电磁矢量传感器，所有传感器的对应通道相互平行：所有的x轴电偶极子相互平行，所有的y轴电偶极子相互平行，所有的z轴方向电偶极子相互平行，所有的x轴方向磁偶极子相互平行，所有的y轴方向磁偶极子相互平行，以及所有的z轴方向磁偶极子相互平行；相邻阵元间距小于等于λmin/2随机分布，λmin为入射声波信号的最小波长；
解相干MUSIC参数估计方法的步骤如下：阵列接收K个相干窄带、平稳远场电磁信号，
步骤一、M个电磁矢量传感器的阵元沿y轴构成非均匀线阵接收阵列，接收阵列输出N次同步采样数据Z；
步骤二、根据旋转不变特性选取空间子阵数据、子阵数据协方差矩阵算术平均得到变换前的数据协方差矩阵RZ；
根据阵列数据Z的排布规律将数据分成x轴、y轴和z轴方向电场Zex、Zey、Zez和x轴、y轴和z轴方向的磁场子阵数据Zhx、Zhy、Zhz，计算6个子阵数据的协方差矩阵和和分别是x轴、y轴和z轴方向的电场数据协方差矩阵，和分别是x轴、y轴和z轴方向磁场数据协方差矩阵，其中， 通过6个子阵数据协方差矩阵的算术平均得到变换前的满秩数据协方差矩阵RZ；
步骤三、对子阵数据进行变换，求变换后的协方差数据矩阵RY和变换前后的互协方差数据矩阵RZY，由协方差数据矩阵RZ、RY和RZY得到解相干后的数据协方差矩阵R，从而恢复数据协方差矩阵的秩；
对子阵数据Zex、Zey、Zez进行变换其中，JM是M×M的反对角变换矩阵，Ji，M-i+1＝1(i＝1，…，M)是JM的第i行第M-i+1列的元素，JM的其它元素全部为零，表示对子阵数据Zex、Zey、Zez取共轭后的数据，对子阵数据Zhx、Zhy、Zhz进行变换 表示对子阵数据Zhx、Zhy、Zhz取共轭后的数据；求变换后子阵数据Yex、Yey、Yez，Yhx、Yhy、Yhz的数据协方差矩阵其中， 求变换前后数据的互协方差矩阵：Qex、Qey、Qez，Qhx、Qhy、Qhz，其中， 变换后协方差矩阵的算术平均得到变换后阵列协方差矩阵RY，变换前后数据的互协方差矩阵求算术平均得到变换后阵列互协方差矩阵RZY，RZY＝(Qex+Qey+Qez+Qhx+Qhy+Qhz)/6，构造解相干数据协方差矩阵R＝[RZY RZ RY]；
步骤四、由解相干后的数据协方差矩阵R进行奇异值分解得到信号子空间Us和噪声空间Un，利用噪声子空间Un构造MUSIC空间谱通过角度域的一维MUSIC谱峰搜索得到到达角的估计值：其中A(θ)是搜索阵列导向矢量，θ∈[0，π/2]是搜索角度。
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