CN107561485A - 去除地面反射的波达角获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种去除地面反射的波达角获取方法，包括：采用阵列抑制算法，利用天线阵列接收的远场辐射电场解析天线阵列的初始相位差，使得总场强在地面反射波方向为零；利用解析的初始相位差，对天线阵列接收的远场辐射电场进行移相操作，生成滤除地面反射波的接收电场强度数据；利用滤除地面反射波的接收电场强度数据，得到与电磁波传播方向平行的非极化波矢量在坐标轴三个方向的分量；以及建立自由空间内波达角计算模型，并根据非极化波矢量在坐标轴三个方向的分量获取去除地面反射的波达角。该方法无需预先知道地面参数，且适用于各种地面参数的场景，拓宽了应用场景。
Description
技术领域
本公开属于信号处理领域，涉及一种去除地面反射的波达角获取方法。
背景技术
波达角估计(Direction Of Arrival，简称：DOA)，又称为来波方向估计、无线电测向，是用设计好的天线或天线阵列测量接收到的电磁波的幅度和相位，估算出电磁波的来波方向，从而对电磁波的波源进行准确定位。由于波达角估计不需要发射信号，只需通过接收辐射源的来波信号，完成对辐射源所在方位的测量，因此属于无源探测。
当天线靠近地面时，地面反射波会对波达角估计算法的准确性产生很大影响，且水平方向和垂直方向的影响不同。此时，实际接收到的电场强度是直达波电场和地面反射波电场的总和，因此，如何去除地面反射波的影响是正确求解波达角的关键。在去除地面反射波的解决办法中，现有的理想地面法存在只适用于地面参数为导体范围的局限性，反射系数法则需要知道地面参数的情况，因此亟需提出一种新的去除地面反射的波达角获取方法，无需预先知道地面参数，且适用于各种地面参数的场景。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种去除地面反射的波达角获取方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种去除地面反射的波达角获取方法，包括：采用阵列抑制算法，利用天线阵列接收的远场辐射电场解析天线阵列的初始相位差，使得总场强在地面反射波方向为零；利用解析的初始相位差，对天线阵列接收的远场辐射电场进行移相操作，生成滤除地面反射波的接收电场强度数据；利用滤除地面反射波的接收电场强度数据，得到与电磁波传播方向平行的非极化波矢量在坐标轴三个方向的分量；以及建立自由空间内波达角计算模型，并根据非极化波矢量在坐标轴三个方向的分量获取去除地面反射的波达角。
在本公开的一些实施例中，采用阵列抑制算法，利用天线阵列接收的远场辐射电场解析天线阵列的初始相位差，使得总场强在地面反射波方向为零，包括：天线阵列包括第一天线和第二天线，二者接收的远场辐射电场的初始相位差为δ，入射电磁波的极角为θ，取(π-θ)作为θ的值代入天线阵列接收的远场辐射电场的总电场强度表达式，使得总场强在地面反射波方向为0，得到天线阵列的初始相位差δ。
在本公开的一些实施例中，天线阵列的初始相位差δ满足：
δ＝π+2πh2 cosθ/λ0
第二天线接收的远场辐射电场满足：
天线阵列接收的远场辐射电场的总电场强度满足：
其中，为天线阵列接收的总电场强度；为第一天线接收的电场强度；为第二天线接收的电场强度；h2为第二天线比第一天线高出的垂直距离；θ为入射电磁波的极角；λ0为自由空间中的电磁波波长；δ为第一天线和第二天线接收的远场辐射电场的初始相位差。
在本公开的一些实施例中，移相操作后，生成的滤除地面反射波的接收电场强度数据在坐标轴的三个分量满足：
其中，Ex，Ey，Ez分别为滤除地面反射波的接收电场强度矢量分别在x，y，z三个坐标轴的三个分量；E1x，E1y，E1z分别为第一天线接收的电场强度在x，y，z三个坐标轴的三个分量；E2x，E2y，E2z分别为第二天线接收的电场强度在x，y，z三个坐标轴的三个分量。
在本公开的一些实施例中，与电磁波传播方向平行的非极化波矢量的构造方法包括：对于非线极化波，由于电磁波的极化平面和传播方向相互垂直，由电场及其共轭值确定极化平面，那么构造与极化平面相垂直的矢量，从而得到与电磁波传播方向平行的非极化波矢量。
在本公开的一些实施例中，与电磁波传播方向平行的非极化波矢量满足：
非极化波矢量在坐标轴三个方向的分量满足：
其中，为非极化波矢量；(Vx，Vy，Vz)为非极化波矢量在坐标系下的坐标；为x方向的单位矢量；为y方向的单位矢量，为z方向的单位矢量；为滤除地面反射波的接收电场强度；为滤除地面反射波的接收电场强度的共轭值；Im(*)为取虚部运算。
在本公开的一些实施例中，建立自由空间内波达角计算模型包括：
将入射电磁波视为平面波，其电场强度满足：
其中，为入射的电场强度；为场点；为极化向量；j为虚部因子；v为椭圆率；为入射波方向的单位矢量；
对于左旋极化波或右旋极化波，电场强度的三个分量在球坐标系下满足：
其中，θ和分别为球坐标系中的极角和方位角，为待求的电磁波来波方向；
将左旋极化波或右旋极化波的电场强度的分量表达式代入非极化波矢量在坐标轴三个方向的分量表达式中，得到自由空间内波达角的计算模型。
在本公开的一些实施例中，右旋极化波在球坐标系中的极角满足：
右旋极化波在球坐标系中的方位角满足：
左旋极化波在球坐标系中的极角表达式如下：
左旋极化波在球坐标系中的方位角表达式如下：
在本公开的一些实施例中，根据非极化波矢量在坐标轴三个方向的分量获取去除地面反射的波达角，包括：将滤除地面反射波的接收电场强度用于计算非极化波矢量在坐标轴三个方向的分量，并将其代入自由空间内波达角的计算模型中，得到去除地面反射的波达角。
在本公开的一些实施例中，天线阵列接收远场辐射电场包括：将两个三阵子天线沿与地面垂直的方向间隔放置，建立天线阵列，利用建立好的天线阵列接收远场辐射电场。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的去除地面反射的波达角获取方法，具有以下有益效果：
通过采用阵列抑制算法，可以区分地面反射中水平方向和垂直方向反射波的影响，对天线阵列的接收电场进行移相操作，使得总场强在地面反射波的方向为零，从而解析得到直达波电场强度，与理想地面法和反射系数法相比，无需预先知道地面参数，且适用于各种地面参数的场景，拓宽了该算法的应用场景。
附图说明
图1为根据本公开实施例去除地面反射的波达角获取方法的流程图。
图2为根据本公开实施例三阵子天线阵列和电磁波、地面反射波的传输路径示意图。
图3A-图3I为根据本公开实施例去除地面反射的波达角获取方法与理想地面法、反射系数法的仿真实验结果对比图。
图3A为地面参数为导体时，采用反射系数法获得的波达角均方根误差随信噪比变化的结果图。
图3B为地面参数为导体时，采用理想地面法获得的波达角均方根误差随信噪比变化的结果图。
图3C为地面参数为导体时，采用本公开实施例去除地面反射的波达角获取方法求得的波达角均方根误差随信噪比变化的结果图。
图3D为地面参数为半导体时，采用反射系数法获得的波达角均方根误差随信噪比变化的结果图。
图3E为地面参数为半导体时，采用理想地面法获得的波达角均方根误差随信噪比变化的结果图。
图3F为地面参数为半导体时，采用本公开实施例去除地面反射的波达角获取方法求得的波达角均方根误差随信噪比变化的结果图。
图3G为地面参数为绝缘体时，采用反射系数法获得的波达角均方根误差随信噪比变化的结果图。
图3H为地面参数为绝缘体时，采用理想地面法获得的波达角均方根误差随信噪比变化的结果图。
图3I为地面参数为绝缘体时，采用本公开实施例去除地面反射的波达角获取方法求得的波达角均方根误差随信噪比变化的结果图。
具体实施方式
本公开提供了一种去除地面反射的波达角获取方法，通过采用阵列抑制算法，可以区分地面反射中水平方向和垂直方向反射波的影响，对天线阵列的接收电场进行移相操作，使得总场强在地面反射波的方向为零，从而解析得到直达波电场强度，与理想地面法和反射系数法相比，无需预先知道地面参数，且适用于各种地面参数的场景，拓宽了该算法的应用场景。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种去除地面反射的波达角获取方法。
图1为根据本公开实施例去除地面反射的波达角获取方法的流程图；图2为根据本公开实施例三阵子天线阵列和电磁波、地面反射波的传输路径示意图。
参照图1和图2所示，本公开的去除地面反射的波达角获取方法，包括：
步骤S102：将两个三阵子天线沿与地面垂直的方向间隔放置，建立天线阵列，利用建立好的天线阵列接收远场辐射电场；
如图2所示，本实施例中，建立地面直角坐标系，其中z轴与地面垂直，两个三阵子天线分别为天线1和天线2，天线1和天线2分别由相互垂直的三个偶极子天线作为天线单元组成，这两个三阵子天线的三个维度的天线单元分别与三个坐标轴平行，将这两个天线沿着与地面垂直的z轴间隔放置，将三阵子天线的中心点视为其坐标点，天线1距离地面的垂直高度为h1，天线2距离地面的垂直高度为(h1+h2)。
步骤S104：采用阵列抑制算法，利用天线阵列接收的远场辐射电场解析天线阵列的初始相位差，使得总场强在地面反射波方向为零；
设天线1接收的远场辐射电场为由于天线2距离地面比天线1高h2，因此超前相位差2πh2 cosθ/λ0，式中，λ0为自由空间中的电磁波波长。假设天线1和天线2接收的远场辐射电场的初始相位差为δ，则天线2接收到的远场辐射电场可表示如下：
则天线阵列接收的总电场强度可表示如下：
其中，为天线阵列接收的总电场强度；为天线1接收的电场强度；为天线2接收的电场强度；h2为天线2比天线1高出的垂直距离；θ为入射电磁波的极角；λ0为自由空间中的电磁波波长；δ为天线1和天线2接收的远场辐射电场的初始相位差。
参照图2所示，假设入射电磁波的极角为θ，由电磁波理论可知：反射角与入射角相等，因此，地面反射波入射到天线的极角与入射波极角θ互补，即为(π-θ)。建立好的天线阵列接收到的远场辐射电场包括入射电磁波，也包括入射电磁波在地面发射后的地面反射波。通过移相操作，使得地面反射波(π-θ)方向的增益为0，从而达到抑制地面反射波的目的。取(π-θ)作为θ的值代入，使得总场强在地面反射波方向为0，可解析得到天线阵的初始相位差为如下表达式：
δ＝π+2πh2 cosθ/λ0 (3)
步骤S106：利用解析的初始相位差，对天线阵列接收的远场辐射电场进行移相操作，生成滤除地面反射波的接收电场强度数据；
滤除地面反射波的接收电场强度在坐标轴的三个分量表达式如下：
其中，Ex，Ey，Ez分别为滤除地面反射波的接收电场强度矢量分别在x，y，z三个坐标轴的三个分量；E1x，E1y，E1z分别为天线1接收的电场强度在x，y，z三个坐标轴的三个分量；E2x，E2y，E2z分别为天线2接收的电场强度在x，y，z三个坐标轴的三个分量。
步骤S108：利用滤除地面反射波的接收电场强度数据，得到与电磁波传播方向平行的非极化波矢量在坐标轴三个方向的分量；
由天线单元组成的矢量天线(又称极化敏感阵列)能够同时探测电磁波的多维度信息，但存在180°模糊的问题，在靠近地球表面等某些特殊情况下，可以通过特殊条件定单向。
对于非线极化波，由于电磁波的极化平面和传播方向相互垂直，由电场及其共轭值确定极化平面，则与电磁波传播方向平行的非极化波矢量的表达式如下：
其中，为非极化波矢量；(Vx，Vy，Vz)为非极化波矢量在坐标系下的坐标；为x方向的单位矢量；为y方向的单位矢量，为z方向的单位矢量；为滤除地面反射波的接收电场强度；为滤除地面反射波的接收电场强度的共轭值；Im(*)为取虚部运算。
在直角坐标系下，滤除地面反射波的接收电场强度的表达式为：
其中，公式(6)中的Ex，Ey，Ez的具体表达式如公式(4)所示。
将直角坐标系下的电场表达式(6)代入与电磁波传播方向平行的非极化波矢量的表达式(5)中，得到该非极化波矢量在坐标轴三个方向的分量，其表达式如下：
步骤S110：建立自由空间内波达角计算模型，并根据非极化波矢量在坐标轴三个方向的分量获取去除地面反射的波达角。
本实施例中，根据滤除地面反射波的接收电场强度和非极化波矢量在坐标轴三个方向的分量，确定自由空间内波达角的计算模型。
对于远场辐射电场，入射电磁波可视为平面波，那么自由空间内波达角计算模型的建立过程如下：
首先，入射电磁波视为平面波，其电场强度表达式如下：
其中，为入射的电场强度；为场点；为极化向量；j为虚部因子；v为椭圆率；为入射波方向的单位矢量。
对于右旋极化波，滤除地面反射波的接收电场强度的三个分量在球坐标系下可化简为如下形式：
其中，θ和分别为球坐标系中的极角和方位角，为待求的电磁波来波方向。
将右旋极化波的电场强度的分量表达式(9)代入非极化波矢量在坐标轴三个方向的分量表达式(7)中，得到自由空间内波达角的计算模型如下：
右旋极化波在球坐标系中的极角表达式如下：
右旋极化波在球坐标系中的方位角表达式如下：
对于左旋极化波，滤除地面反射波的接收电场强度的三个分量在球坐标系下可化简为如下形式：
将左旋极化波的电场强度的分量表达式(12)代入非极化波矢量在坐标轴三个方向的分量表达式(7)中，得到自由空间内波达角的计算模型如下：
左旋极化波在球坐标系中的极角表达式如下：
右旋极化波在球坐标系中的方位角表达式如下：
那么，由于在步骤S108中，根据公式(7)将滤除地面反射波的接收电场强度用于计算非极化波矢量在坐标轴三个方向的分量，则将其代入自由空间内波达角的计算模型中，便可得到去除地面反射的波达角。
在近地面条件下，根据本公开的去除地面反射的波达角获取方法进行了仿真模拟实验，并与常规的两种方法：理想地面法、反射系数法的效果进行了对比。图3A-图3I为根据本公开实施例去除地面反射的波达角获取方法与理想地面法、反射系数法的仿真实验结果对比图。
本仿真实验中，假设入射电磁波频率f＝10MHz，设置天线1和天线2，按照图2所示方式进行摆放，天线1和天线2均由三个相互垂直的偶极子天线组成，距地面高度分别为：h1＝λ/15，h2＝λ/15+λ/10，其中，λ为电磁波波长。将地面参数分别设置为：导体、半导体和绝缘体，设置以上地面参数的范围分别对应如下：εr＝3，σ＝10000、εr＝3，σ＝1和εr＝3，σ＝0001，信噪比(SNR，Signal-Noise ratio)从5dB至40dB每隔5dB等间隔取点，极角θ和方位角随信噪比变化的均方根误差如图3A-3I所示。
其中，图3A为地面参数为导体时，采用反射系数法获得的波达角均方根误差随信噪比变化的结果图；图3B为地面参数为导体时，采用理想地面法获得的波达角均方根误差随信噪比变化的结果图；图3C为地面参数为导体时，采用本公开实施例去除地面反射的波达角获取方法求得的波达角均方根误差随信噪比变化的结果图。
图3D为地面参数为半导体时，采用反射系数法获得的波达角均方根误差随信噪比变化的结果图；图3E为地面参数为半导体时，采用理想地面法获得的波达角均方根误差随信噪比变化的结果图；图3F为地面参数为半导体时，采用本公开实施例去除地面反射的波达角获取方法求得的波达角均方根误差随信噪比变化的结果图。
图3G为地面参数为绝缘体时，采用反射系数法获得的波达角均方根误差随信噪比变化的结果图；图3H为地面参数为绝缘体时，采用理想地面法获得的波达角均方根误差随信噪比变化的结果图；图3I为地面参数为绝缘体时，采用本公开实施例去除地面反射的波达角获取方法求得的波达角均方根误差随信噪比变化的结果图。
从图3A-图3I可以看出，随着信噪比的提高，三种算法的极角θ和方位角的均方根误差均减小。Tripole1和Tripole2分别对应本实施例中的天线阵列中的天线1和天线2。其中，结合图3A、图3D和图3G来看，反射系数法受地面参数的影响最小，此时波达角估计具有最好的稳定性，θ和的均方根误差始终保持在1.2°以下，但由于该算法需要预先知道实际的地面参数，因此应用场景受到限制。理想地面法在地面参数为导体范围时，具有很好的波达角估计效果，由图3B可以看出，理想地面法的曲线几乎重合；但随着实际地面导电性能的减弱(σ逐渐减小)，实际地面不再能近似为一个理想的导电平面，均方根误差逐渐增大，如图3E所示；当实际地面为绝缘体范围时，理想地面法不再适用，如图3H所示。而本公开基于阵列抑制算法提出的去除地面反射的波达角获取方法具有较好的稳定性，其计算结果受地面参数的影响很小，在信噪比SNR≥15dB时，具有很好的计算结果，并且由于该算法无需预先知道地面参数，故其适用场景不受限制。
综上所述，本公开提供了一种去除地面反射的波达角获取方法，通过采用阵列抑制算法，可以区分地面反射中水平方向和垂直方向反射波的影响，对天线阵列的接收电场进行移相操作，使得总场强在地面反射波的方向为零，从而解析得到直达波电场强度，与理想地面法和反射系数法相比，无需预先知道地面参数，且适用于各种地面参数的场景，拓宽了该算法的应用场景。
当然，根据实际需要，本公开提供的去除地面反射的波达角获取方法还包含其他的方法和步骤，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通人员所熟知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受范围的误差容限或设计约束内近似于相似的值。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种去除地面反射的波达角获取方法，包括：
采用阵列抑制算法，利用天线阵列接收的远场辐射电场解析天线阵列的初始相位差，使得总场强在地面反射波方向为零；
利用解析的初始相位差，对天线阵列接收的远场辐射电场进行移相操作，生成滤除地面反射波的接收电场强度数据；
利用滤除地面反射波的接收电场强度数据，得到与电磁波传播方向平行的非极化波矢量在坐标轴三个方向的分量；以及
建立自由空间内波达角计算模型，并根据非极化波矢量在坐标轴三个方向的分量获取去除地面反射的波达角。
2.根据权利要求1所述的波达角获取方法，其中，所述采用阵列抑制算法，利用天线阵列接收的远场辐射电场解析天线阵列的初始相位差，使得总场强在地面反射波方向为零，包括：
所述天线阵列包括第一天线和第二天线，二者接收的远场辐射电场的初始相位差为δ，入射电磁波的极角为θ，取(π-θ)作为θ的值代入天线阵列接收的远场辐射电场的总电场强度表达式，使得总场强在地面反射波方向为0，得到所述天线阵列的初始相位差δ。
3.根据权利要求2所述的波达角获取方法，其中：
所述天线阵列的初始相位差δ满足：
δ＝π+2πh2cosθ/λ0
所述第二天线接收的远场辐射电场满足：
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所述天线阵列接收的远场辐射电场的总电场强度满足：
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</msup>
</mrow>
其中，为天线阵列接收的总电场强度；为第一天线接收的电场强度；为第二天线接收的电场强度；h2为第二天线比第一天线高出的垂直距离；θ为入射电磁波的极角；λ0为自由空间中的电磁波波长；δ为第一天线和第二天线接收的远场辐射电场的初始相位差。
4.根据权利要求3所述的波达角获取方法，其中，所述移相操作后，生成的滤除地面反射波的接收电场强度数据在坐标轴的三个分量满足：
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>E</mi>
<mi>x</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mrow>
<mn>1</mn>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
<msup>
<mi>e</mi>
<mrow>
<mi>j</mi>
<mi>&delta;</mi>
</mrow>
</msup>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mrow>
<mn>1</mn>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
<msup>
<mi>e</mi>
<mrow>
<mi>j</mi>
<mn>2</mn>
<msub>
<mi>&pi;h</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>s</mi>
<mi>&theta;</mi>
<mo>/</mo>
<msub>
<mi>&lambda;</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mrow>
</msup>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>E</mi>
<mi>y</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mrow>
<mn>1</mn>
<mi>y</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>y</mi>
</mrow>
</msub>
<msup>
<mi>e</mi>
<mrow>
<mi>j</mi>
<mi>&delta;</mi>
</mrow>
</msup>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mrow>
<mn>1</mn>
<mi>y</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>y</mi>
</mrow>
</msub>
<msup>
<mi>e</mi>
<mrow>
<mi>j</mi>
<mn>2</mn>
<msub>
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<mn>2</mn>
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<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>s</mi>
<mi>&theta;</mi>
<mo>/</mo>
<msub>
<mi>&lambda;</mi>
<mn>0</mn>
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</mrow>
</msup>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>E</mi>
<mi>z</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mrow>
<mn>1</mn>
<mi>z</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>z</mi>
</mrow>
</msub>
<msup>
<mi>e</mi>
<mrow>
<mi>j</mi>
<mi>&delta;</mi>
</mrow>
</msup>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mrow>
<mn>1</mn>
<mi>z</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>z</mi>
</mrow>
</msub>
<msup>
<mi>e</mi>
<mrow>
<mi>j</mi>
<mn>2</mn>
<msub>
<mi>&pi;h</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>s</mi>
<mi>&theta;</mi>
<mo>/</mo>
<msub>
<mi>&lambda;</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mrow>
</msup>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
其中，Ex，Ey，Ez分别为滤除地面反射波的接收电场强度矢量分别在x，y，z三个坐标轴的三个分量；E1x，E1y，E1z分别为第一天线接收的电场强度在x，y，z三个坐标轴的三个分量；E2x，E2y，E2z分别为第二天线接收的电场强度在x，y，z三个坐标轴的三个分量。
5.根据权利要求4所述的波达角获取方法，其中，所述与电磁波传播方向平行的非极化波矢量的构造方法包括：对于非线极化波，由于电磁波的极化平面和传播方向相互垂直，由电场及其共轭值确定极化平面，那么构造与极化平面相垂直的矢量，从而得到与电磁波传播方向平行的非极化波矢量。
6.根据权利要求5所述的波达角获取方法，其中：
所述与电磁波传播方向平行的非极化波矢量满足：
<mrow>
<mover>
<mi>V</mi>
<mo>&RightArrow;</mo>
</mover>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>x</mi>
</msub>
<mover>
<mi>x</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>y</mi>
</msub>
<mover>
<mi>y</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>z</mi>
</msub>
<mover>
<mi>z</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mo>=</mo>
<mo>-</mo>
<mi>Im</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mover>
<mi>E</mi>
<mo>&RightArrow;</mo>
</mover>
<mo>&times;</mo>
<msup>
<mover>
<mi>E</mi>
<mo>&RightArrow;</mo>
</mover>
<mo>*</mo>
</msup>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
所述非极化波矢量在坐标轴三个方向的分量满足：
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>x</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mo>-</mo>
<mn>2</mn>
<mi>Im</mi>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mi>y</mi>
</msub>
<msubsup>
<mi>E</mi>
<mi>z</mi>
<mo>*</mo>
</msubsup>
<mo>)</mo>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>y</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mo>-</mo>
<mn>2</mn>
<mi>Im</mi>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mi>z</mi>
</msub>
<msubsup>
<mi>E</mi>
<mi>x</mi>
<mo>*</mo>
</msubsup>
<mo>)</mo>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>z</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mo>-</mo>
<mn>2</mn>
<mi>Im</mi>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mi>x</mi>
</msub>
<msubsup>
<mi>E</mi>
<mi>y</mi>
<mo>*</mo>
</msubsup>
<mo>)</mo>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
其中，为非极化波矢量；(Vx，Vy，Vz)为非极化波矢量在坐标系下的坐标；为x方向的单位矢量；为y方向的单位矢量，为z方向的单位矢量；为滤除地面反射波的接收电场强度；为滤除地面反射波的接收电场强度的共轭值；Im(*)为取虚部运算。
7.根据权利要求6所述的波达角获取方法，其中，所述建立自由空间内波达角计算模型包括：
将入射电磁波视为平面波，其电场强度满足：
<mrow>
<mover>
<msub>
<mi>E</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>&RightArrow;</mo>
</mover>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mover>
<mi>r</mi>
<mo>&RightArrow;</mo>
</mover>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mover>
<msub>
<mi>E</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>&RightArrow;</mo>
</mover>
<mo>+</mo>
<mi>j</mi>
<mi>v</mi>
<mo>(</mo>
<mrow>
<mover>
<msub>
<mi>E</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>&RightArrow;</mo>
</mover>
<mo>&times;</mo>
<mover>
<msub>
<mi>&beta;</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>^</mo>
</mover>
</mrow>
<mo>)</mo>
<mo>)</mo>
</mrow>
<msup>
<mi>e</mi>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mi>j</mi>
<mover>
<msub>
<mi>&beta;</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>^</mo>
</mover>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mover>
<mi>r</mi>
<mo>&RightArrow;</mo>
</mover>
</mrow>
</msup>
</mrow>
其中，为入射的电场强度；为场点；为极化向量；j为虚部因子；v为椭圆率；为入射波方向的单位矢量；
对于左旋极化波或右旋极化波，电场强度的三个分量在球坐标系下满足：
其中，θ和分别为球坐标系中的极角和方位角，为待求的电磁波来波方向；
将左旋极化波或右旋极化波的电场强度的分量表达式代入非极化波矢量在坐标轴三个方向的分量表达式中，得到自由空间内波达角的计算模型。
8.根据权利要求7所述的波达角获取方法，其中：
所述右旋极化波在球坐标系中的极角满足：
<mrow>
<mi>&theta;</mi>
<mo>=</mo>
<mi>arccos</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>z</mi>
</msub>
<msqrt>
<mrow>
<msubsup>
<mi>V</mi>
<mi>x</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>+</mo>
<msubsup>
<mi>V</mi>
<mi>y</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>+</mo>
<msubsup>
<mi>V</mi>
<mi>z</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
</mrow>
</msqrt>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
所述右旋极化波在球坐标系中的方位角满足：
所述左旋极化波在球坐标系中的极角表达式如下：
<mrow>
<mi>&theta;</mi>
<mo>=</mo>
<mi>arccos</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>z</mi>
</msub>
</mrow>
<msqrt>
<mrow>
<msubsup>
<mi>V</mi>
<mi>x</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>+</mo>
<msubsup>
<mi>V</mi>
<mi>y</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>+</mo>
<msubsup>
<mi>V</mi>
<mi>z</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
</mrow>
</msqrt>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
所述左旋极化波在球坐标系中的方位角表达式如下：
9.根据权利要求8所述的波达角获取方法，其中，所述根据非极化波矢量在坐标轴三个方向的分量获取去除地面反射的波达角，包括：
将所述滤除地面反射波的接收电场强度用于计算非极化波矢量在坐标轴三个方向的分量，并将其代入自由空间内波达角的计算模型中，得到去除地面反射的波达角。
10.根据权利要求1至9任一项所述的波达角获取方法，其中，所述天线阵列接收远场辐射电场包括：
将两个三阵子天线沿与地面垂直的方向间隔放置，建立天线阵列，利用建立好的天线阵列接收远场辐射电场。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710753449.9A CN107561485A (zh) | 2017-08-28 | 2017-08-28 | 去除地面反射的波达角获取方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710753449.9A CN107561485A (zh) | 2017-08-28 | 2017-08-28 | 去除地面反射的波达角获取方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107561485A true CN107561485A (zh) | 2018-01-09 |
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|---|---|
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109856464A (zh) * | 2019-04-01 | 2019-06-07 | 国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) | 一种用于星载的甚低频太阳射电观测系统 |
| CN111208471A (zh) * | 2020-03-02 | 2020-05-29 | 重庆大学 | 少快拍非线极化电磁波波达方向估计方法 |
| CN113868852A (zh) * | 2021-09-22 | 2021-12-31 | 中国人民解放军63660部队 | 一种开阔场地电磁波近地面传播特性快速获取方法 |
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| US20100265138A1 (en) * | 2009-04-17 | 2010-10-21 | Alain Biem | Determining a direction of arrival of signals incident to a tripole sensor |
| CN102313546A (zh) * | 2011-04-14 | 2012-01-11 | 南京航空航天大学 | 基于极化电磁波信息链的运动平台姿态感知方法 |
| CN106848546A (zh) * | 2017-01-24 | 2017-06-13 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种宽带双极化天线阵列装置及高分辨测向方法 |
-
2017
- 2017-08-28 CN CN201710753449.9A patent/CN107561485A/zh active Pending
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| CN109856464B (zh) * | 2019-04-01 | 2023-09-19 | 国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) | 一种用于星载的甚低频太阳射电观测系统 |
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