CN108983145A - 电磁矢量传感器阵列宽带相干源定位方法 - Google Patents
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Abstract
电磁矢量传感器阵列宽带相干源到达角估计方法，均匀6分量电磁矢量传感器线阵接收K个远场、相干、宽带电磁波信号；6个通道分别进行傅里叶变换，得到多个窄带相干信号，每个频点下的6个通道之间存在旋转不变关系，利用6个通道接收信号数据相关矩阵平均解相干；利用MUSIC谱峰搜索得到信号各个频点下的到达角估计值，每一个信号都根据按照所有频点的到达角估计值算术平均得到该信号到达角的估计值；本方法通过傅里叶变换将宽带信号变成多个窄带信号然后利用电磁矢量传感器的矢量特性通过矢量旋转解相干，不存在阵列孔径损失，通过多个频点下到达角的算术平均提高参数估计精度，可以有效估计宽带相干源下的信号到达角。
Description
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阵列宽带相干源定位方法。
背景技术
宽带信号由于具有更丰富的信息量和更强的抗干扰能力，已被广泛应用在通信、雷达和声纳中；由于传播环境的复杂，使得阵列接收信号包含多径传播信号和同频干扰等相干源信号，相干源干扰的存在会导致雷达出现虚警或目标定位错误，多径干扰会影响到通信终端的信号接收质量，相干信号处理成为阵列处理的主要内容，也是雷达、通信、声纳的主要研究任务之一；如何对宽带相干信号进行快速准确测向现已成为阵列信号处理的一个热点问题。空间平滑解相干会缩小阵列孔径，降低参数估计精度。宽带相干信号子空间方法是常见的一种宽带解相干方法，但该方法需要方位预估及聚焦运算，预估角度的准确性及聚焦矩阵的选择会直接影响算法的性能，同时聚焦也会带来算法运算量的增加，本发明将通过频域滤波将宽带信号转换为窄带信号，然后结合电磁矢量的矢量特性进行解相干处理，本发明方法没有减小阵列孔径，也不需要角度预估和聚焦处理，就可以实现宽带相干信号的参数估计。
发明内容
本发明的目的是提供一种电磁矢量传感器阵列宽带相干源定位方法。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
电磁矢量传感器阵列宽带相干源定位方法，阵列接收K个不同频率的远场、宽带相干信号，所述电磁矢量传感器阵列由N个非均匀布置于x轴上的阵元构成，所述阵元是具有同步共点测量x、y和z轴方向电场和磁场的电磁矢量传感器，阵元间隔小于或者等于入射信号最小波长的一半；
电磁矢量传感器阵列宽带相干源定位方法的步骤如下：
步骤一、利用N个6分量电磁矢量传感器构成的均匀线阵作为接收阵列，接收K个远场宽带相干信号源信号，阵列M次快拍数据构成接收信号数据矩阵Y；
其中数据矩阵Y＝[Y(t1)，Y(t2)，…，Y(tm)，…，Y(tM)]，Y(tm)＝AS(tm)+Nm，A为K个信号在N个阵元上的阵列导向矢量构成的矩阵，A＝[A1，A2，…，Ak，…，AK]，ak为坐标原点处阵元接收到的第k个单位功率信号电磁场矢量ak＝[ekx，eky，ekz，hkx，hky，hkz]T，ekx，eky，ekz分别为x，y，z轴方向的电场，hkx，hky，hkz分别为x，y，z轴方向的磁场，qk为第k个信号在N个阵元上的相位相对于坐标原点处阵元的相位差构成的空域导向矢量，取第一个阵元所在的位置为坐标原点，N个阵元在x轴上的坐标为X＝[0，d1，d2，…，dN-1]，θk∈[0，π]为第k个信号的到达角，λk为第k个信号的波长，exp(·)表示求指数运算，S(tm)＝[s1(tm)，…，sk(tm)，…，sK(tm)]是信号的第m次采样矩阵，sk(tm)是第k个信号的第m次采样数据，Nm为阵列第m次采样对应的高斯白噪声矢量；
步骤二、将6个通道的接收的数据进行处理，将6个通道的宽带相干信号数据分别进行FFT处理，从而使得6个通道的宽带相干信号都变为J个窄带相干信号数据；
将数据矩阵Y分成x，y，z轴方向的电场和x，y，z轴方向的磁场，6个通道的接收数据矩阵Y＝[Yex，Yey，Yez，Yhx，Yhy，Yhz]T；将x轴方向的电场数据Yex分成L段，每段有J个数据，其中J＝M/L，每段数据进行J点FFT变换得到J个窄带信号，第l段数据进行J点FFT变换得到：进行FFT变换后，每一段都会产生一个频率为fj的数据信号，一共有L段，因此频率为fj的数据的长度为L，其中将y轴方向的电场数据Yey分成L段，每段数据进行J点FFT变换，第l段数据进行J点FFT变换得到J个窄带信号：其中，将z轴方向的电场数据Yez分成L段，每段数据进行J点FFT变换得到J个窄带信号：其中将x轴方向的磁场数据Yhx分成L段，每段数据进行J点FFT变换得到J个窄带信号：其中，将y轴方向的磁场数据Yhy分成L段，每段数据进行J点FFT变换得到J个窄带信号：其中将z轴方向的磁场数据Yhz分成L段，每段数据进行J点FFT变换得到J个窄带信号：其中
步骤三、分别求x，y，z轴方向的电场和x，y，z轴方向的磁场6个通道的J个窄带相干信号的数据协方差矩阵，通过6个通道数据协方差矩阵的叠加得到每个窄带信号对应的总的数据协方差；
求x轴方向电场分量的J个窄带信号的数据协方差矩阵Rex(f1)，Rex(f2)，…，Rex(fj)，…，Rex(fJ)，其中，求y轴方向电场分量的J个窄带信号数据协方差矩阵，其中求z轴方向电场分量的J个窄带信号数据协方差矩阵，其中求x轴方向磁场分量的J个窄带信号数据协方差矩阵，其中求y轴方向磁场分量的J个窄带信号数据协方差矩阵，其中求z轴方向磁场分量的J个窄带信号数据协方差矩阵，其中将6个通道的数据叠加处理得到J个频率对应的总数据协方差矩阵R(f1)，R(f2)，…，R(fj)，…，R(fJ)，其中
步骤四、对每个频率对应的数据协方差矩阵进行特征分解得到噪声子空间，构造MUSIC空间谱函数，通过谱峰搜索得到每个频率点对应的信号到达角的估计，将J个频率点得到的信号到达角求平均，得到最终的信号到达角估计；对R(f1)，R(f2)，…，R(fj)，…，R(fJ)分别进行特征分解得到噪声子空间eN(f1)，…，eN(fj)，…，eN(fJ)，构造每个频率点对应的MUSIC空间谱：其中 为第j个频率对应的搜索导向矢量 是空间搜索角度，在搜索空间[0，180°]范围内取值，根据需要可以均匀取值，也可以非均匀取值；MUSIC谱的峰值对应的角度为信号的到达角的估计值：Ω＝[Ω1，Ω2，…，Ωj，…，ΩJ]，其中为第j个频率点的MUSIC谱对应的信号到达角的估计值，已经按照角度大小进行了升序排列；对J组角度的估计结果进行平均其中为第k个信号的最终估计结果；
前述步骤中的k＝1，...，K为信号个数，m＝1，2，...，M为快拍数，l＝1，2，…，L为段的序号，j＝1，2，…，J为频点的序号；
本发明采用的阵列是电磁矢量传感器均匀线性阵列，阵列的阵元为由三个共点且相互正交的电偶极子和三个共点且相互正交的磁偶极子构成的6分量电磁矢量传感器，电磁矢量传感器的6个对应通道相互平行，所有的x轴方向的电偶极子相互平行，所有的y轴方向的电偶极子相互平行，所有的z轴方向的电偶极子相互平行，所有的x轴方向的磁偶极子相互平行，所有的y轴方向的磁偶极子相互平行，所有的z轴方向的磁偶极子相互平行。
本发明通过傅里叶变换将宽带信号分解成多个窄带信号，对每一个窄带信号利用电磁矢量传感器阵列的矢量特性，通过矢量旋转解相干，然后利用MUSIC谱估计每一个频率下的到达角，通过对多个频点到达角的算术平均得到信号到达角的估计结果，本发明方法可以有效估计宽带相干信号的到达角，不存在阵列孔径损失。
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为传统MUSIC方法的两个宽带相干信号空间谱；
图4为本发明方法的两个宽带相干信号空间谱；
图5为传统MUSIC算法的三个宽带相干信号空间谱；
图6为本发明方法的三个宽带相干信号空间谱；
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个在x轴上均匀分布的6分量电磁矢量传感器构成的均匀线阵，阵元间的间距为dx，dx≤λmin/2；
参照图2，本发明的电磁矢量传感器阵列宽带相干源定位方法的步骤如下：N个6分量电磁矢量传感器构成的均匀线阵，接收K个远场宽带相干信号，K为入射声源信号的数量，K≤N-1，
步骤一、利用N个6分量电磁矢量传感器构成的均匀线阵作为接收阵列，接收K个远场宽带相干信号源信号，阵列M次快拍数据构成接收信号数据矩阵Y；
其中数据矩阵Y＝[Y(t1)，Y(t2)，…，Y(tm)，…，Y(tM)]，Y(tm)＝AS(tm)+Nm，A为K个信号在N个阵元上的阵列导向矢量构成的矩阵，A＝[A1，A2，…，Ak，…，AK]，ak为坐标原点处阵元接收到的第k个单位功率信号电磁场矢量ak＝[ekx，eky，ekz，hkx，hky，hkz]T，ekx，eky，ekz分别为x，y，z轴方向的电场，hkx，hky，hkz分别为x，y，z轴方向的磁场，qk为第k个信号在N个阵元上的相位相对于坐标原点处阵元的相位差构成的空域导向矢量，取第一个阵元所在的位置为坐标原点，N个阵元在x轴上的坐标为X＝[0，d1，d2，…，dN-1]，θk∈[0，π]为第k个信号的到达角，λk为第k个信号的波长，exp(·)表示求指数运算，S(tm)＝[s1(tm)，…，sk(tm)，…，sK(tm)]是信号的第m次采样矩阵，sk(tm)是第k个信号的第m次采样数据矢量，Nm为阵列第m次采样对应的高斯白噪声矢量；
步骤二、将6个通道的接收的数据进行处理，将6个通道的宽带相干信号数据分别进行FFT处理，从而使得6个通道的宽带相干信号都变为J个窄带相干信号数据；
根据天线的排布方式以及数据矩阵Y的构成方式将数据矩阵Y分成x，y，z轴方向的电场和x，y，z轴方向的磁场，6个通道的接收数据矩阵Y＝[Yex，Yey，Yez，Yhx，Yhy，Yhz]T；将x轴方向的电场数据Yex分成L段，每段有J个数据，其中J＝M/L，每段数据进行J点FFT变换得到J个窄带信号，第l段数据进行J点FFT变换得到：进行FFT变换后，每一段都会产生一个频率为fj的数据信号，一共有L段，因此频率为fj的数据的长度为L，其中将y轴方向的电场数据Yey分成L段，每段数据进行J点FFT变换，第l段数据进行J点FFT变换得到J个窄带信号：其中，将z轴方向的电场数据Yez分成L段，每段数据进行J点FFT变换得到J个窄带信号：其中将x轴方向的磁场数据Yhx分成L段，每段数据进行J点FFT变换得到J个窄带信号：其中，将y轴方向的磁场数据Yhy分成L段，每段数据进行J点FFT变换得到J个窄带信号：其中将z轴方向的磁场数据Yhz分成L段，每段数据进行J点FFT变换得到J个窄带信号：其中
步骤三、分别求x，y，z轴方向的电场和x，y，z轴方向的磁场6个通道的J个窄带相干信号的数据协方差矩阵，通过6个通道数据协方差矩阵的叠加得到每个窄带信号对应的总的数据协方差；
求x轴方向电场分量的J个窄带信号的数据协方差矩阵Rex(f1)，Rex(f2)，…，Rex(fj)，…，Rex(fJ)，其中，求y轴方向电场分量的J个窄带信号数据协方差矩阵，其中求z轴方向电场分量的J个窄带信号数据协方差矩阵，其中求x轴方向磁场分量的J个窄带信号数据协方差矩阵，其中求y轴方向磁场分量的J个窄带信号数据协方差矩阵，其中求z轴方向磁场分量的J个窄带信号数据协方差矩阵，其中将6个通道的数据叠加处理得到J个频率对应的总数据协方差矩阵R(f1)，R(f2)，…，R(fj)，…，R(fJ)，其中
步骤四、对每个频率对应的数据协方差矩阵进行特征分解得到噪声子空间，构造MUSIC空间谱函数，通过谱峰搜索得到每个频率点对应的信号到达角的估计，将J个频率点得到的信号到达角求平均，得到最终的信号到达角估计；对R(f1)，R(f2)，…，R(fj)，…，R(fJ)分别进行特征分解得到噪声子空间eN(f1)，…，eN(fj)，…，eN(fJ)，构造每个频率点对应的MUSIC空间谱：其中 为第j个频率对应的搜索导向矢量 是空间搜索角度，在搜索空间[0，180°]范围内取值，根据需要可以均匀取值，也可以非均匀取值；MUSIC谱的峰值对应的角度为信号的到达角的估计值：Ω＝[Ω1，Ω2，…，Ωj，…，ΩJ]，其中为第j个频率点的MUSIC谱对应的信号到达角的估计值，已经按照角度大小进行了升序排列；对J组角度的估计结果进行平均其中为第k个信号的最终估计结果；
前述步骤中的k＝1，...，K为信号个数，m＝1，2，...，M为快拍数，l＝1，2，…，L为段的序号，j＝1，2，…，J为频点的序号，为虚数单位；
本发明利用傅里叶变换将宽带相干信号分成多个窄带相干信号，然后利用电磁矢量传感器的矢量特性，通过空间旋转解相干从而得到每个窄带下的信号的到达角估计，通过对每一个信号的所有频率点的到达角估计值的算术平均得到宽带相干信号的到达角估计结果，本发明方法可以有效估计宽带相干信号到达角。
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：
设有8个6分量电磁矢量传感器组成的均匀线阵，阵元间距为半波长，分别测试两个宽带相干信源20°，25°和三个宽带相干信源20°，25°，30°入射阵列宽带非解相干算法和本发明方法得到的空间谱，环境噪声为高斯白噪声，信噪比30dB，分为33个频点，每个频点100次快拍。
仿真实验结果如图3至6所示，从图3和图5可以看出，宽带非解相干方法只能得到一个错误的谱峰，而在图4和图6中，经过矢量解相干处理后本发明方法则能完全解除信号间的相干性，得到多个相干信源的正确到达角估计。
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.电磁矢量传感器阵列宽带相干源定位方法，其特征在于：
电磁矢量传感器阵列由N个等间隔布置于x轴上的阵元6分量电磁矢量传感器构成，阵元间的间距为dx，其中，dx≤λmin/2，λmin为入射信号的最小波长；
电磁矢量传感器阵列宽带相干信号到达角估计方法的步骤如下：阵列接收K个同频率的远场宽带相干电磁波入射信号，
步骤一、利用N个6分量电磁矢量传感器构成的均匀线阵作为接收阵列，接收K个远场宽带相干信号源信号，阵列M次快拍数据构成接收信号数据矩阵Y；
其中数据矩阵Y＝[Y(t1)，Y(t2)，…，Y(tM)]；Y(tm)＝AS(tm)+Nm，A为K个信号在N个阵元上的阵列导向矢量构成的矩阵，A＝[A1，A2，…，Ak，…，AK]，ak为坐标原点处阵元接收到的第k个单位功率信号电磁场矢量ak＝[ekx，eky，ekz，hkx，hky，hkz]T，ekx，eky，ekz分别为x，y，z轴方向的电场，hkx，hky，hkz分别为x，y，z轴方向的磁场，qk为第k个信号在N个阵元上的相位相对于坐标原点处阵元的相位差构成的空域导向矢量为，取第一个阵元所在的位置为坐标原点，N个阵元在x轴上的坐标为X＝[0，d1，d2，…，dN-1]，θk∈[0，π]为第k个信号的到达角，S(tm)是信号的第m次采样矩阵S(tm)＝[s1(tm)，s2(tm)，…，sk(tm)，sK(tm)]，sk(tm)是第k个信号的第m次采样数据矢量，Nm为阵列第m次采样对应的高斯白噪声矢量；
步骤二、将6个通道的接收的数据进行处理，将6个通道的宽带相干信号数据分别进行FFT处理，从而使得6个通道的宽带相干信号都变为J个窄带相干信号数据；
根据天线的排布方式以及数据矩阵Y的构成方式将数据矩阵Y分成x，y，z轴方向的电场和x，y，z轴方向的磁场6个通道的接收数据矩阵Y＝[Yex，Yey，Yez，Yhx，Yhy，Yhz]T；将x轴方向的电场数据Yex分成L段，每段有J个数据其中J＝M/L，每段数据进行J点FFT变换得到J个窄带信号，第l段数据进行J点FFT变换得到：进行FFT变换后，每一段都会产生一个频率为fj的数据信号，一共有L段，因此频率为fj的数据的长度为L，其中将y轴方向的电场数据Yey分成L段，每段数据进行J点FFT变换，第l段数据进行J点FFT变换得到J个窄带信号：其中将z轴方向的电场数据Yez分成L段，每段数据进行J点FFT变换得到J个窄带信号：其中将x轴方向的磁场数据Yhx分成L段，每段数据进行J点FFT变换得到J个窄带信号：其中将y轴方向的磁场数据Yhy分成L段，每段数据进行J点FFT变换得到J个窄带信号：其中将z轴方向的磁场数据Yhz分成L段，每段数据进行J点FFT变换得到J个窄带信号：其中
步骤三、分别求x，y，z轴方向的电场和x，y，z轴方向的磁场6个通道的J个窄带相干信号的数据协方差矩阵，通过6个通道数据协方差矩阵的叠加得到每个窄带信号对应的总的数据协方差；
求x轴方向的电场分量的J个窄带信号的数据协方差矩阵Rex(f1)，Rex(f2)，…，Rex(fj)，…，Rex(fJ)，其中求y轴方向的电场分量的J个窄带信号数据协方差矩阵，其中求z轴方向的电场分量的J个窄带信号数据协方差矩阵，其中求x轴方向的磁场分量的J个窄带信号数据协方差矩阵，其中求y轴方向的磁场分量的J个窄带信号数据协方差矩阵，其中求z轴方向的磁场分量的J个窄带信号数据协方差矩阵，其中将6个通道的数据叠加处理得到J个频率对应的总数据协方差矩阵R(f1)，R(f2)，…，R(fj)，…，R(fJ)，其中
步骤四、对每个频率对应的数据协方差矩阵进行特征分解得到噪声子空间，构造MUSIC空间谱函数，通过谱峰搜索得到每个频率点对应的信号到达角的估计，将J个频率点得到的信号到达角求平均，得到最终的信号到达角估计；
对R(f1)，R(f2)，…，R(fj)，…，R(fJ)分别进行特征分解得到信号子空间eN(f1)，…，eN(fj)，…eN(fJ)，构造每个频率点对应的MUSIC空间谱：其中 为第j个频率对应的搜索导向矢量， 是空间搜索角度在搜索空间[0，180°]范围内取值，根据需要可以均匀取值，也可以非均匀取值；MUSIC谱的的峰值对应的角度为信号的到达角的估计值：Ω＝[Ω1，Ω2，…，Ωj，…，ΩJ]，其中为第j个频率点的MUSIC谱对应的信号信号到达角的估计值，已经安照角度大小进行了升序排列；对J组角度的估计结果进行平均其中为第k个信号的最终估计结果；
前述步骤中的k＝1，...，K为信号个数，m＝1，2，...，M为快拍数，l＝1，2，…，L为段的序号，j＝1，2，…，J为频点的序号，为虚数单位。
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2018
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