CN111208471B - 少快拍非线极化电磁波波达方向估计方法 - Google Patents

少快拍非线极化电磁波波达方向估计方法 Download PDF

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Abstract

少快拍非线极化电磁波波达方向估计方法，其实现步骤是：(1)建立直角坐标系xyz，圆极化或者椭圆极化电磁波从角度
Figure DDA0002396725970000011
入射；(2)三维矢量天线分别接收x、y、z方向电场信号，经采样得Ex(n)、Ey(n)、Ez(n)；(3)由两个采样快拍的六个数据构成两个坐标矢量p1和p2；(4)计算与矢量p1和p2构成平面相垂直的矢量m；(5)根据m坐标值计算俯仰角估计值
Figure DDA0002396725970000012
(6)根据m坐标值计算方位角估计值
Figure DDA0002396725970000013
(7)
Figure DDA0002396725970000014
就是入射电磁波波达方向估计值。本发明能够实现对任意角度入射的非线极化电磁波信号进行波达方向估计，而且仅仅需要一个三维矢量天线和两个采样快拍，计算复杂度低。本发明可以应用于需要进行波达方向估计的通信、雷达、测控等领域。

Description

少快拍非线极化电磁波波达方向估计方法
技术领域
本发明涉及到通信、雷达、测控等对电磁波波达方向估计有需求的领域，具体涉及到的针对非线极化电磁波的波达方向估计方法。
背景技术
波达方向估计是通过接收信号对电磁波来向进行估计，被广泛应用在通信、雷达、测控等技术领域。为了能够对方位角和俯仰角都进行估计，现有技术采用干涉仪或者基于阵列天线的估计技术。干涉仪实现波达方向估计，虽然具有实现算法简单的优势，但是需要多个天线，而且天线极化方式固定；阵列天线实现波达方向估计，虽然可以实现多个电磁波进行超分辨估计的优势，但需要阵列规模更大，也存在天线极化方式固定的问题，而且波达方向估计方法需要采用多个快拍，运算量大。
针对任意圆极化和椭圆极化电磁波的波达方向估计，可以采用仅仅一个三维矢量天线和两个采样快拍数据，通过简单计算就可以实现波达方向估计。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何通过三维矢量天线，快速估计圆极化或者椭圆极化入射电磁波的波达方向。解决该技术问题的方法是一种电磁波波达方向估计方法，其实现步骤是：
(1)建立笛卡尔直角坐标系xyz，圆极化或者椭圆极化电磁波从角度
Figure BDA0002396725950000011
入射，其中俯仰角范围
Figure BDA0002396725950000012
方位角范围
Figure BDA0002396725950000013
为待估计量；
(2)采用三维矢量天线接收圆极化或者椭圆极化电磁波，所谓三维矢量天线，就是每个坐标轴都具有一个线极化振子天线，分别接收三个坐标轴方向的单一线极化分量，三个线极化天线的馈点都位于坐标原点；对三个馈点接收的模拟信号，通过ADC转换为数字信号，采样频率为fs，接收信号可以分别表示为：
Figure BDA0002396725950000021
Exm是x方向极化的幅度，Eym是y方向极化的幅度，Ezm是z方向极化的幅度；
Figure BDA0002396725950000022
是x方向极化的初相位，
Figure BDA0002396725950000023
是y方向极化的初相位，
Figure BDA0002396725950000024
是z方向极化的初相位，Ts为采样周期，ω为接收信号的角频率；其中Ex(n)，Ey(n)，Ez(n)为已知量；
(3)在两个不同时刻，取三维矢量天线接收信号第n1和n2个两个快拍，共六个数据，分别是Ex(n1)、Ey(n1)、Ez(n1)、Ex(n2)、Ey(n2)、Ez(n2)，其中n1和n2是连续的两个采样序号；把两个快拍构成矢量p1＝[Ex(n1) Ey(n1) Ez(n1)]T和p2＝[Ex(n2) Ey(n2) Ez(n2)]T，其中符号[]T表示转置；
(4)按照矢量叉积定义，计算与矢量p1和p2构成平面相垂直的矢量m，则m＝p1×p2＝[mx my mz]T，就是电磁波传播方向，其中mx＝Ey(n1)Ez(n2)-Ez(n1)Ey(n2)，my＝Ey(n1)Ex(n2)-Ex(n1)Ez(n2)，mz＝Ex(n1)Ey(n2)-Ey(n1)Ex(n2)；
(5)俯仰角估计方法为：
第一步，根据俯仰角定义计算
Figure BDA0002396725950000025
第二步，俯仰角估计值为
Figure BDA0002396725950000026
(6)方位角估计方法为：
第一步，当
Figure BDA0002396725950000031
矢量m与z轴平行，方位角估计值
Figure BDA0002396725950000032
结束估计；
第二步，当
Figure BDA0002396725950000033
矢量m与z轴不平行，则根据y的值计算
Figure BDA0002396725950000034
第三步，方位角估计值为
Figure BDA0002396725950000035
(7)俯仰角估计值
Figure BDA0002396725950000036
和方位角估计值
Figure BDA0002396725950000037
即为电磁波的波达方向。
本发明的有益效果是，仅仅通过一个三维矢量天线完成波达方向估计，硬件成本低；同时，也仅需要两个采样快拍数据，就可以在实数域快速估计出入射电磁波的波达方向，算法简单。本发明可以应用到通信、雷达、测控等对电磁波波达方向估计有需求的领域。
附图说明：
图1是入射电磁波极化波达方向估计方法框图；
图2是信号入射示意图；
图3是三维矢量天线示意图；
图4是法向量示意图。
具体实施例
入射任意非线极化电磁波，利用三维矢量天线，可以快速估计电磁波波达方向，总体实现步骤如图1所示。具体实现步骤为：
(1)如图2，建立笛卡尔直角坐标系xyz，圆极化或者椭圆极化电磁波从角度
Figure BDA0002396725950000041
入射，其中俯仰角范围
Figure BDA0002396725950000042
方位角范围
Figure BDA0002396725950000043
为待估计量；
(2)如图3，采用三维矢量天线接收圆极化或者椭圆极化电磁波，所谓三维矢量天线，就是每个坐标轴都具有一个线极化振子天线，分别接收三个坐标轴方向的单一线极化分量，三个线极化天线的馈点都位于坐标原点；对三个馈点接收的模拟信号，通过ADC转换为数字信号，采样频率为fs，接收信号可以分别表示为：
Figure BDA0002396725950000044
Figure BDA0002396725950000045
Exm是x方向极化的幅度，Eym是y方向极化的幅度，Ezm是z方向极化的幅度；
Figure BDA0002396725950000046
是x方向极化的初相位，
Figure BDA0002396725950000047
是y方向极化的初相位，
Figure BDA0002396725950000048
是z方向极化的初相位，Ts为采样周期，ω为接收信号的角频率；其中Ex(n)，Ey(n)，Ez(n)为已知量；
(3)在两个不同时刻，取三维矢量天线接收信号第n1和n2个两个快拍，共六个数据，分别是Ex(n1)、Ey(n1)、Ez(n1)、Ex(n2)、Ey(n2)、Ez(n2)，其中n1和n2是连续的两个采样序号；把两个快拍构成矢量p1＝[Ex(n1) Ey(n1) Ez(n1)]T和p2＝[Ex(n2) Ey(n2) Ez(n2)]T，其中符号[]T表示转置；
(4)如图4，按照矢量叉积定义，计算与矢量p1和p2构成平面相垂直的矢量m，则m＝p1×p2＝[mx my mz]T，就是电磁波传播方向，其中mx＝Ey(n1)Ez(n2)-Ez(n1)Ey(n2)，my＝Ey(n1)Ex(n2)-Ex(n1)Ez(n2)，mz＝Ex(n1)Ey(n2)-Ey(n1)Ex(n2)；
(5)俯仰角估计方法为：
第一步：根据俯仰角定义计算
Figure BDA0002396725950000051
第二步：俯仰角估计值为
Figure BDA0002396725950000052
(6)方位角估计方法为：
第一步：当
Figure BDA0002396725950000053
矢量m与z轴平行，方位角估计值
Figure BDA0002396725950000054
结束估计；
第二步：当
Figure BDA0002396725950000055
矢量m与z轴不平行，则根据y的值计算
Figure BDA0002396725950000056
第三步：方位角估计值
Figure BDA0002396725950000057
(7)俯仰角估计值
Figure BDA0002396725950000058
和方位角估计值
Figure BDA0002396725950000059
即为电磁波的波达方向。
本发明能够实现对任意角度入射的非线极化电磁波进行波达方向估计，仅仅需要一个三维矢量天线，硬件成本低；同时通过两个采样快拍数据就可以在实数域快速估计出入射电磁波的波达方向，算法简单。本发明可以应用到通信、雷达、测控等对电磁波波达方向估计有需求的领域。

Claims (1)

1.少快拍非线极化电磁波波达方向估计方法，其实现步骤是：
(1)建立笛卡尔直角坐标系xyz，圆极化或者椭圆极化电磁波从角度
Figure FDA0002396725940000011
入射，其中俯仰角范围
Figure FDA0002396725940000012
方位角范围
Figure FDA0002396725940000013
为待估计量；
(2)采用三维矢量天线接收圆极化或者椭圆极化电磁波，所谓三维矢量天线，就是每个坐标轴都具有一个线极化振子天线，分别接收三个坐标轴方向的单一线极化分量，三个线极化天线的馈点都位于坐标原点；对三个馈点接收的模拟信号，通过ADC转换为数字信号，采样频率为fs，接收信号可以分别表示为：
Figure FDA0002396725940000014
Exm是x方向极化的幅度，Eym是y方向极化的幅度，Ezm是z方向极化的幅度；
Figure FDA0002396725940000015
是x方向极化的初相位，
Figure FDA0002396725940000016
是y方向极化的初相位，
Figure FDA0002396725940000017
是z方向极化的初相位，Ts为采样周期，ω为接收信号的角频率；其中Ex(n)，Ey(n)，Ez(n)为已知量；
(3)在两个不同时刻，取三维矢量天线接收信号第n1和n2个两个快拍，共六个数据，分别是Ex(n1)、Ey(n1)、Ez(n1)、Ex(n2)、Ey(n2)、Ez(n2)，其中n1和n2是连续的两个采样序号；把两个快拍构成矢量p1＝[Ex(n1) Ey(n1) Ez(n1)]T和p2＝[Ex(n2) Ey(n2) Ez(n2)]T，其中符号[]T表示转置；
(4)按照矢量叉积定义，计算与矢量p1和p2构成平面相垂直的矢量m，则m＝p1×p2＝[mxmy mz]T，就是电磁波传播方向，其中mx＝Ey(n1)Ez(n2)-Ez(n1)Ey(n2)，my＝Ey(n1)Ex(n2)-Ex(n1)Ez(n2)，mz＝Ex(n1)Ey(n2)-Ey(n1)Ex(n2)；
(5)俯仰角估计方法为：
第一步，根据俯仰角定义计算
Figure FDA0002396725940000018
第二步，俯仰角估计值为
Figure FDA0002396725940000021
(6)方位角估计方法为：
第一步，当
Figure FDA0002396725940000022
矢量m与z轴平行，方位角估计值
Figure FDA0002396725940000023
结束估计；
第二步，当
Figure FDA0002396725940000024
矢量m与z轴不平行，则根据y的值计算
Figure FDA0002396725940000025
第三步，方位角估计值为
Figure FDA0002396725940000026
(7)俯仰角估计值
Figure FDA0002396725940000027
和方位角估计值
Figure FDA0002396725940000028
即为电磁波的波达方向。
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