CN111585631A - 一种提高分布式极化敏感阵列发射增益的波束形成方法 - Google Patents

一种提高分布式极化敏感阵列发射增益的波束形成方法 Download PDF

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CN111585631A CN202010272475.1A CN202010272475A CN111585631A CN 111585631 A CN111585631 A CN 111585631A CN 202010272475 A CN202010272475 A CN 202010272475A CN 111585631 A CN111585631 A CN 111585631A
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陈涛
赵立鹏
郭沐然
史林
申梦雨
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Abstract

本发明公开了一种提高分布式极化敏感阵列发射增益的波束形成方法，本发明首先对阵列接收的信号进行DOA和极化参数估计，之后根据估计参数以及空间匹配滤波器原理计算出加权矢量，最后根据加权矢量对各通道输出信号进行数字波束形成得到最终发射信号。本方法得到的加权矢量考虑到极化信息的影响，可以在共形阵列侦察干扰一体化平台中提高干扰信号的发射增益，克服了现有方法只能从一个天线发射，无法进一步提高增益的不足。

Description

一种提高分布式极化敏感阵列发射增益的波束形成方法
技术领域
本发明涉及一种提高分布式极化敏感阵列发射增益的波束形成方法，属于电子对抗领域。
背景技术
目前，随着共形天线的技术成熟，分布式极化敏感阵列得到应用，但在侦察干扰一体化平台，由于天线的分布式摆放，且极化方式不统一，目前只采用单一通道进行干扰发射，如果能将多个通道做到类似相控阵同时发射则可以提高发射增益，增强干扰效能。为解决此问题，针对传统的标量阵列，可以利用数字波束形成技术通过多通道加权的方式提高发射信号增益。但在极化敏感阵列中，由于极化域信息的加入，标量阵的数字波束形成加权矢量便不再适用于极化敏感阵列中。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种通过多通道加权输出的方式提高分布式极化敏感阵列在干扰目标方向的发射增益的波束形成方法。
为解决上述技术问题，本发明的一种提高分布式极化敏感阵列发射增益的波束形成方法，包括以下步骤：
步骤一：信号采集，具体为：
利用由N个共形线极化阵元组成的极化敏感阵列接收空间中的远场入射窄带信号，获得接收数据矢量x(t)：
x(t)＝as(t)+n(t)
式中，a为导向矢量，s(t)为空间信号矢量，n(t)为阵列的噪声数据矢量；
步骤二：利用极化MUSIC算法，根据接收数据矢量x(t)估计出DOA和极化参数
Figure BDA0002443586650000011
其中，
Figure BDA0002443586650000012
为估计出的信号DOA参数，(γ0,η0)为估计出的信号极化参数；
步骤三：当加权矢量对所需目标方向的信号同相相加时得到最大信号增益，根据空间匹配滤波器原理计算加权矢量w；
步骤四：数字波束形成，具体为：
根据加权矢量w对N个阵元的发射信号进行加权求和，即调整各路相位得到其输出为：
Figure BDA0002443586650000013
式中，
Figure BDA0002443586650000014
表示所有阵元未做加权前的干扰信号，w表示发射阵列加权矢量，
Figure BDA0002443586650000021
为步骤二中估计出的DOA和极化参数，
Figure BDA0002443586650000022
表示N个阵元对空间中某目标的联合导向矢量。
本发明还包括：
1.步骤一中导向矢量a具体为：
Figure BDA0002443586650000023
其中，
Figure BDA0002443586650000024
为信号的实际DOA参数，(γm,ηm)信号的实际极化参数，
Figure BDA0002443586650000025
un(θm,φm)为第n个阵元处信号形成的空间延迟，n＝1,2，...,N，整个矩阵为信号的阵元空间相位矩阵，
Figure BDA0002443586650000026
其中，
Figure BDA0002443586650000027
假设第n个阵元位于xoy平面，以坐标原点为参考点，信号到达该阵元相对于参考点的空间延迟为
Figure BDA0002443586650000028
xn为该阵元在x轴的位置坐标，yn为该阵元在y轴的位置坐标，n＝1,2，...,N，B为极化敏感矩阵，对于分布式极化敏感阵列，假设第n个阵元的摆放角为αn，则：
Figure BDA0002443586650000029
B＝[B1,B2,...,BN]T；
Figure BDA00024435866500000210
描述了极化域和角度域的相干结构，与每个极化敏感阵元的空间位置无关，分布式极化阵列坐标向量表示为：
Figure BDA00024435866500000211
2.步骤二中利用极化MUSIC算法，根据接收数据矢量x(t)估计出DOA和极化参数
Figure BDA00024435866500000212
具体为：
首先利用x(t)的K次采样结果构造协方差矩阵
Figure BDA00024435866500000213
并对
Figure BDA00024435866500000214
进行特征值分解得到信号子空间US和噪声子空间UN；
然后通过在方位角和俯仰角构成的二维空间内搜索
Figure BDA00024435866500000215
的极值，获得信号的DOA参数的估计
Figure BDA00024435866500000216
其中，gmin(·)表示矩阵束的最小广义特征值，
Figure BDA00024435866500000217
最后根据对应的广义特征向量
Figure BDA0002443586650000031
解得信号极化参数的估计(γ0,η0)为：
Figure BDA0002443586650000032
3.步骤三中加权矢量w满足：
Figure BDA0002443586650000033
式中，
Figure BDA0002443586650000034
为估计出的DOA和极化参数，
Figure BDA0002443586650000035
为阵元空间相位矩阵，B为极化敏感矩阵。
本发明的有益效果：本发明所述的采用分布式极化敏感阵列提高发射增益的方法，通过采用共形天线接收空间的电磁波信号，构造接收信号数据矢量，在极化MUSIC算法的基础上估计DOA和极化参数，并根据估计参数和空间匹配滤波器原理求得加权矢量，对各阵元发射信号进行加权后阵列输出的总信号可以实现在干扰目标方向提高发射增益的目的。
本发明首次提出在共形极化敏感阵列侦察干扰一体化平台中，使用数字波束形成技术多通道加权发射干扰信号，从而提高干扰信号增益。本发明通过多通道加权输出的方式提高阵列在干扰目标方向的发射增益。
附图说明
图1是目前侦察干扰一体化平台发射干扰信号的系统框图。
图2是本发明提出的能够提高发射增益的侦察干扰一体化平台系统框图。
图3是本发明中分布式极化敏感阵列空间布置结构图，采用均匀圆阵布置方式，阵元与圆周边缘共行。
图4是单通道发射与使用本方法多通道加权的增益对比图。
图5是使用本方法取加权矢量和使用标量阵列不考虑极化参数方法取加权矢量的波束方向图比较。
图6是使用本方法实现分别在极化参数为(γ0,η0)＝(0°,30°)和(γ1,η1)＝(20°,45°)不同极化参数增大发射增益的波束方向图比较。
图7是使用本方法实现分别在DOA参数为
Figure BDA0002443586650000036
和
Figure BDA0002443586650000037
不同DOA参数增大发射增益的波束方向图比较。
图8是使用本方法实现分别在r＝80mm和r＝120mm不同阵元半径条件的阵列下波束方向图比较。
图9是使用本方法实现分别在N＝8和N＝16不同阵元数量的阵列下波束方向图比较。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。
图1是现有目前侦察干扰一体化平台发射干扰信号的系统框图，是只采用单一通道进行干扰发射；
结合图2，本发明的一种适用于分布式极化敏感阵列即共形阵列的数字波束形成方法，包括由N个共形线极化阵元组成的分布式极化敏感阵列，步骤如下：
步骤一：信号采集
利用共形线极化阵元组成的分布式极化敏感阵列接收空间中的远场入射窄带信号，获得接收数据矢量x(t)：
x(t)＝as(t)+n(t)
式中，a为导向矢量，s(t)为空间信号矢量，n(t)为阵列的噪声数据矢量。
针对分布式极化敏感阵列联合导向矢量a具有以下形式：
Figure BDA0002443586650000041
其中，
Figure BDA0002443586650000042
为信号的实际DOA参数，(γm,ηm)信号的实际极化参数，
Figure BDA0002443586650000043
un(θm,φm)为第n个阵元处，n＝1,2，...,N信号形成的空间延迟，整个矩阵为信号的阵元空间相位矩阵:
Figure BDA0002443586650000044
其中，
Figure BDA0002443586650000045
假设阵元位于xoy平面，因此信号在两个阵列间的空间延迟为
Figure BDA0002443586650000046
xn为该阵元在x轴的位置坐标，yn为该阵元在y轴的位置坐标，n＝1,2，...,N。B为极化敏感矩阵，对于不同的极化敏感阵列结构和极化方式，B矩阵具有不同的形式。对于分布式极化敏感阵列，假设第n个阵元的摆放角为αn，则：
Figure BDA0002443586650000047
B＝[B1,B2,...,BN]T。
Figure BDA0002443586650000048
描述了极化域和角度域的相干结构，与每个极化敏感阵元的空间位置无关。分布式极化阵列坐标向量都可以表示为：
Figure BDA0002443586650000049
步骤二：DOA和极化参数估计
首先利用x(t)的K次采样结果构造协方差矩阵
Figure BDA0002443586650000051
并对
Figure BDA0002443586650000052
进行特征值分解得到信号子空间US和噪声子空间UN。
接着通过在方位角和俯仰角构成的二维空间内搜索
Figure BDA0002443586650000053
的极值，获得信号的DOA参数的估计
Figure BDA0002443586650000054
其中，gmin(·)表示矩阵束的最小广义特征值，
Figure BDA0002443586650000055
最后根据对应的广义特征向量
Figure BDA0002443586650000056
解得信号极化参数的估计(γ0,η0)为：
Figure BDA0002443586650000057
步骤三：计算加权矢量
根据空间匹配滤波器原理，要使发射信号的增益达到最大，加权矢量应使得相加前的各阵元信号相位相同，必须与信号在极化域上和空域上完全匹配，合适的加权矢量就是信号的空域-极化域联合导向矢量，即
Figure BDA0002443586650000058
式中，
Figure BDA0002443586650000059
为步骤二中估计出的DOA和极化参数，
Figure BDA00024435866500000510
为阵元空间相位矩阵，B为极化敏感矩阵。
此阵列权矢量使阵列输出在对应角度方向的信号增益最大，对不同角度信号的阵列响应
Figure BDA00024435866500000511
因此称为空间匹配滤波器。显然当阵列权矢量为空间匹配滤波器时阵列的发射增益最大。
相比于传统标量阵列的加权矢量，针对共形阵列，不仅考虑了空域信息
Figure BDA00024435866500000512
带来的影响，还考虑了极化域信息(γ,η)的影响。
步骤四：数字波束形成
根据加权矢量w对N个阵元的发射信号进行加权求和，即调整各路相位得到其输出为：
Figure BDA00024435866500000513
式中，
Figure BDA00024435866500000514
表示所有阵元未做加权前的干扰信号，w表示发射阵列加权矢量，
Figure BDA00024435866500000515
表示N个阵元对空间中某目标的联合导向矢量。
本发明具体实施例还包括：
如图3所示，本实例所采用的天线阵列为分布式极化敏感阵列构成的八阵元均匀圆阵，半径r＝100mm，相邻阵元摆放角α相差45°，侦察信号为垂直极化，入射方向与天线1和天线5垂直。
本发明通过侦察到的信号估计出DOA和极化参数，并根据加权矢量与接收信号的匹配性质求得加权矢量，可以对各通道加权输出干扰信号，提高了干扰信号在目标方向的发射增益。具体步骤如下：
步骤(1)：信号采集
利用单偶极子阵元组成的均匀圆阵极化敏感阵列接收空间中的远场入射窄带信号，获得接收数据矢量x(t)：
x(t)＝as(t)+n(t)
式中，a为导向矢量，s(t)为空间信号矢量，n(t)为阵列的噪声数据矢量。
针对分布式极化敏感阵列，导向矢量a具有以下形式：
Figure BDA0002443586650000061
代入仿真条件
Figure BDA0002443586650000062
阵元摆放角αn＝45°×(n-1),n＝1,2,...,8，得到仿真接收数据矢量x(t)。
步骤(2)：DOA和极化参数估计
利用极化MUSIC算法，将接收数据矢量x(t)采样得到协方差矩阵并进行特征值分解，通过构造空间谱函数进行极值搜索估计出DOA参数和极化参数
Figure BDA0002443586650000065
步骤(3)：计算加权矢量
根据空间匹配滤波器原理，要使发射信号的增益达到最大，加权矢量应使得相加前的各阵元信号相位相同，必须与信号在极化域上和空域上完全匹配，合适的加权矢量就是信号的空域-极化域联合导向矢量，即
Figure BDA0002443586650000063
针对如图三所示情况，代入DOA和极化参数
Figure BDA0002443586650000064
仿真结果如下：
表1各天线加权矢量
w<sub>1</sub> -0.47+0.81i
w<sub>2</sub> 0.50+0.44i
w<sub>3</sub> 7.72e-17+7.16e-18i
w<sub>4</sub> -0.50+0.44i
w<sub>5</sub> 0.47+0.81i
w<sub>6</sub> -0.50+0.44i
w<sub>7</sub> -1.9e-16-7.16e-18i
w<sub>8</sub> 0.50+0.44i
相比于传统标量阵列的加权矢量，不仅考虑了空域信息
Figure BDA0002443586650000071
带来的影响，还考虑了极化域信息(γ,η)的影响。并且对信号发射增益不会产生影响的天线3和天线7的加权矢量近似为0。
步骤(4)：数字波束形成
根据加权矢量w对N个阵元的发射信号进行加权求和，即调整各路相位得到其输出为：
Figure BDA0002443586650000072
式中，
Figure BDA0002443586650000073
表示所有阵元未做加权前的干扰信号，w表示发射阵列加权矢量，
Figure BDA0002443586650000074
表示N个阵元对空间中某目标的联合导向矢量。
参照表1，在0°入射和垂直极化条件下，水平方向的天线3和天线7不发射，证明了结果正确性。
参照图4，是天线1单通道发射与使用本方法多通道加权的增益对比图，可以得出使用本方法提高增益约12dB。
参照图5，是使用本方法取加权矢量和使用标量阵列不考虑极化参数方法取加权矢量的波束方向图比较。
参照图6，是使用本方法实现分别在极化参数为(γ0,η0)＝(0°,30°)和(γ1,η1)＝(20°,45°)不同极化参数增大发射增益的波束方向图比较。
参照图7，是使用本方法实现分别在DOA参数为
Figure BDA0002443586650000075
和
Figure BDA0002443586650000076
不同DOA参数增大发射增益的波束方向图比较。
参照图8，是使用本方法实现分别在r＝80mm和r＝120mm不同阵元半径条件的阵列下波束方向图比较。
参照图9，是使用本方法实现分别在N＝8和N＝16不同阵元数量的阵列下波束方向图比较。
上述为本发明特举之实施例，并非用以限定本发明。本发明提供的在分布式极化敏感阵列数字波束形成方法同样适用于其他布局和不同极化的阵列。在不脱离本发明的实质和范围内，可做些许的调整和优化，以本发明的保护范围以权利要求为准。
综上，本发明公开了一种分布式极化敏感阵列提高发射增益的波束形成方法。该发明所述的方法首先对共形阵列接收的信号进行DOA和极化参数估计，之后根据估计参数和空间匹配滤波器原理构造计算出加权矢量，最后根据加权矢量对各通道输出信号进行加权求和即数字波束形成得到最终发射信号。本方法得到的加权矢量考虑到极化信息的影响，本方法得到的最终信号可以在共形阵列侦察干扰一体化平台中提高干扰信号的发射增益，克服了现有方法只能从一个天线发射，无法进一步提高增益的不足。

Claims (5)

1.一种提高分布式极化敏感阵列发射增益的波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：信号采集，具体为：
利用由N个共形线极化阵元组成的极化敏感阵列接收空间中的远场入射窄带信号，获得接收数据矢量x(t)：
x(t)＝as(t)+n(t)
式中，a为导向矢量，s(t)为空间信号矢量，n(t)为阵列的噪声数据矢量；
步骤二：利用极化MUSIC算法，根据接收数据矢量x(t)估计出DOA和极化参数
Figure FDA0002443586640000011
其中，
Figure FDA0002443586640000012
为估计出的信号DOA参数，(γ0,η0)为估计出的信号极化参数；
步骤三：当加权矢量对所需目标方向的信号同相相加时得到最大信号增益，根据空间匹配滤波器原理计算加权矢量w；
步骤四：数字波束形成，具体为：
根据加权矢量w对N个阵元的发射信号进行加权求和，即调整各路相位得到其输出为：
Figure FDA0002443586640000013
式中，
Figure FDA0002443586640000014
表示所有阵元未做加权前的干扰信号，w表示发射阵列加权矢量，
Figure FDA0002443586640000015
为步骤二中估计出的DOA和极化参数，
Figure FDA0002443586640000016
表示N个阵元对空间中某目标的联合导向矢量。
2.根据权利要求1所述的一种提高分布式极化敏感阵列发射增益的波束形成方法，其特征在于：步骤一所述导向矢量a具体为：
Figure FDA0002443586640000017
其中，
Figure FDA0002443586640000018
为信号的实际DOA参数，(γm,ηm)信号的实际极化参数，
Figure FDA0002443586640000019
Figure FDA00024435866400000110
为第n个阵元处信号形成的空间延迟，n＝1,2，...,N，整个矩阵为信号的阵元空间相位矩阵，
Figure FDA00024435866400000111
其中，
Figure FDA00024435866400000112
假设第n个阵元位于xoy平面，以坐标原点为参考点，信号到达该阵元相对于参考点的空间延迟为
Figure FDA00024435866400000113
xn为该阵元在x轴的位置坐标，yn为该阵元在y轴的位置坐标，n＝1,2，...,N，B为极化敏感矩阵，对于分布式极化敏感阵列，假设第n个阵元的摆放角为αn，则：
Figure FDA0002443586640000021
B＝[B1,B2,...,BN]T；
Figure FDA0002443586640000022
描述了极化域和角度域的相干结构，与每个极化敏感阵元的空间位置无关，分布式极化阵列坐标向量表示为：
Figure FDA0002443586640000023
3.根据权利要求1或2所述的一种提高分布式极化敏感阵列发射增益的波束形成方法，其特征在于：步骤二所述利用极化MUSIC算法，根据接收数据矢量x(t)估计出DOA和极化参数
Figure FDA0002443586640000024
具体为：
首先利用x(t)的K次采样结果构造协方差矩阵
Figure FDA0002443586640000025
并对
Figure FDA0002443586640000026
进行特征值分解得到信号子空间US和噪声子空间UN；
然后通过在方位角和俯仰角构成的二维空间内搜索
Figure FDA0002443586640000027
的极值，获得信号的DOA参数的估计
Figure FDA0002443586640000028
其中，gmin(·)表示矩阵束的最小广义特征值，
Figure FDA0002443586640000029
最后根据对应的广义特征向量
Figure FDA00024435866400000210
解得信号极化参数的估计(γ0,η0)为：
Figure FDA00024435866400000211
4.根据权利要求1或2所述的一种提高分布式极化敏感阵列发射增益的波束形成方法，其特征在于：步骤三所述加权矢量w满足：
Figure FDA00024435866400000212
式中，
Figure FDA00024435866400000213
为估计出的DOA和极化参数，
Figure FDA00024435866400000214
为阵元空间相位矩阵，B为极化敏感矩阵。
5.根据权利要求3所述的一种提高分布式极化敏感阵列发射增益的波束形成方法，其特征在于：步骤三所述加权矢量w满足：
Figure FDA0002443586640000031
式中，
Figure FDA0002443586640000032
为估计出的DOA和极化参数，
Figure FDA0002443586640000033
为阵元空间相位矩阵，B为极化敏感矩阵。
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