CN114265005A

CN114265005A - 一种极化相位干涉仪测向方法及装置

Info

Publication number: CN114265005A
Application number: CN202111610056.5A
Authority: CN
Inventors: 曲志昱; 成萍
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2021-12-27
Filing date: 2021-12-27
Publication date: 2022-04-01

Abstract

本发明公开了一种极化相位干涉仪测向方法及装置，所述方法包括以下步骤：基于采集的实测数据构造极化‑空域导向矢量D_s，D_s中包括不同极化入射信号在不同天线上的极化响应；求解接收信号的协方差矩阵并进行特征分解，得到噪声子空间U_N；基于极化‑空域导向矢量D_s和噪声子空间U_N，对方位向和俯仰向进行谱峰搜索，得到来波信号的方位。本发明所述的测向方法准确率高，能够解决在存在接收天线极化特性不一致、天线互耦、天线方向图不理想、阵列位置误差和通道不一致性的情况下，对任意极化形式和入射角度的信号难以实现准确测向的问题。

Description

一种极化相位干涉仪测向方法及装置

技术领域

本发明属于雷达阵列信号处理技术领域，具体涉及一种极化相位干涉仪测向方法及装置，对任意极化形式和入射角度的信号均可实现测向。

背景技术

传统测向体制中的相位干涉仪测向方法由于具有结构简单、易于实现、测向速度快、技术成熟等优点，在新的测向体制不断提出的今天，仍然被广泛应用于各行各业。

在共形阵中，天线分布在载体表面，由于载体曲率的影响，共形天线的极化特性将存在不一致，对入射信号产生极化接收响应。传统的相位干涉仪方法假设接收天线极化形式一致，不存在极化差异，但是在信号入射信号极化信息未知且接收天线存在极化差异时将会失效。并且随着阵列天线小型化的需求愈加强烈，相邻单元间间距不断的减小会产生互耦效应，天线阵列的整体辐射性能将会受到明显的影响，甚至导致无法正常工作。除此之外，各通道间还会产生通道不一致性问题，以DOA(Direction of Arrival，波达方向)估计的经典算法MUSIC(Multiple Signal Classification，多信号分类算法)为例，通道不一致性会造成算法的空间谱峰尖锐程度下降、分辨力下降、并且发生谱峰位置偏移，导致DOA估计角度偏差，并且随着通道不一致性程度的增加，DOA估计性能恶化程度增加，甚至无法工作。如何在接收天线极化特性不一致，且存在天线互耦、天线方向图不理想、阵列位置误差和通道不一致性的前提下实现高精度的DOA估计是实际工程应用中亟待解决的问题。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出了一种极化相位干涉仪测向方法，能够实现在接收天线极化特性不一致，且在存在天线互耦、天线方向图不理想、阵列位置误差和通道不一致性的情况下对任意极化方式和入射角度信号的测向。

本发明的另一目的是提供一种相应的极化相位干涉仪测向装置和设备。

技术方案：根据本发明的第一方面，提供一种极化相位干涉仪测向方法，包括以下步骤：

基于采集的实测数据构造极化-空域导向矢量D_s，D_s中包括不同极化入射信号在不同天线上的极化响应；

求解接收信号的协方差矩阵R，并对R进行特征分解，构造噪声子空间U_N；

基于极化-空域导向矢量D_s和噪声子空间U_N构造辅助矩阵H＝D_s ^HU_N·U_N ^HD_s，在方位向和俯仰向进行谱峰搜索，得到来波信号的方位，来波信号表示为：

i＝1,2,3,...,k，式中φ为俯仰角，θ为方位角，下标i表示第i个入射信号，k为入射信号个数，(φ_m,θ_n)表示入射信号的入射角度，φ_m为第m计数的俯仰角方向，θ_n为第n计数的方位角方向。

进一步地，所述采集的实测数据为天线阵列中各阵元接收到的不同极化入射信号的幅度和相位。

进一步地，所述不同极化入射信号俯仰角φ分别为0～90°，方位角θ分别为0～360°。

进一步地，所述方法还包括：根据秩亏MUSIC方法求出入射信号的极化参数，所述极化参数包括：

极化辅助角

以及

极化相位差

其中

表示矩阵束的广义最小特征值对应的特征向量，h(γ_i,η_i)表示方位角φ_i和俯仰角θ_i上来波信号的极化矢量。

根据本发明的第二方面，提供一种极化相位干涉仪测向装置，包括：

导向矢量构造模块，用于基于采集的实测数据构造极化-空域导向矢量D_s，D_s中包括不同极化入射信号在不同天线上的极化响应；

噪声子空间构造模块，用于求解接收信号的协方差矩阵R，并对R进行特征分解，构造噪声子空间U_N；

来波方位确定模块，用于基于极化-空域导向矢量D_s和噪声子空间U_N构造辅助矩阵H＝D_s ^HU_N·U_N ^HD_s，在方位向和俯仰向进行谱峰搜索，得到来波信号的方位，来波信号表示为：

i＝1,2,3,...,k，式中φ为俯仰角，θ为方位角，下标i表示第i个入射信号，k为入射信号个数，(φ_m,θ_n)表示入射信号的入射角度，φ_m为第m计数的俯仰角，θ_n为第n计数的方位角。

进一步地，所述装置还包括极化参数求解模块，用于根据秩亏MUSIC方法求出入射信号的极化参数，所述极化参数包括：

极化辅助角

以及

极化相位差

其中

根据本发明的第三方面，提供一种计算机设备，包括：

一个或多个处理器；

存储器；以及

一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的极化相位干涉仪测向方法的步骤。

根据本发明的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的极化相位干涉仪测向方法的步骤。

有益效果：与现有技术相比，本发明通过采集不同极化入射信号的实测数据构造极化-空域导向矢量，使得导向矢量更符合实际接收信号建模，提出的极化相位干涉仪测向方法在接收天线极化不一致，且存在天线互耦、天线方向图不理想、阵列位置误差和通道不一致性时，也可以实现测向功能，准确率较高，并且还可以得到入射信号的极化参数。

附图说明

图1为本发明实施例中的圆柱共形阵列的阵元排列示意图；

图2为图1的阵元排列的俯视图；

图3为本发明实施例中的极化相位干涉仪测向方法流程图；

图4为本发明实施例中两个天线的实测天线方向图；

图5为根据图4方向图中的偏航角和仰角定义。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例中使用基于圆柱共形阵列的极化相位干涉仪，该极化敏感阵列由8个指向不尽相同但均位于x-y平面内的阵元组成，并且贴附于圆柱表面。图1为圆柱共形阵列的阵元排列示意图，图2为其俯视图，其中8阵元均匀排布，S为入射信号的来波方向，θ为入射信号的方位角，

为入射信号的仰角。应当理解，本发明中以8阵元的圆柱共形阵列的描述，仅是为了说明本发明的技术方案的作用而不是对发明的限制，本领域技术人员基于本发明描述的方法，对于其他阵型和阵元数的天线阵列，也可以实现对任意极化方式和入射角度信号的测向。

如图3是本发明基于圆柱共形阵列的极化相位干涉仪测向方法的流程图，下面结合图3对该方法的步骤和原理进行详细说明。

步骤1：区别于传统谱峰搜索方法，本发明通过采集实测数据的方式对极化-空域导向矢量D_s矩阵进行构造，测向结果更为精确。

采集的数据为各阵元接收到的不同极化入射信号的幅度和相位，在本实施例中对以俯仰角φ分别为0～90°，方位角θ分别为0～360°的不同极化入射信号进行采集，对φ和θ的采集步进均为1°，以(φ_m,θ_n)表示入射信号的入射角度，φ_m为0～90°俯仰角中第m度俯仰角方向，θ_n为0～360°方位角中第n度方位角方向，使用该实测数据对D_s进行构造。D_s中包括不同极化入射信号在不同天线上的极化响应，使得导向矢量更符合实际接收信号模型。以两种极化方式为例，D_s(φ_m,θ_n)具体形式如下：

D_s(φ_m,θ_n)＝[D_s1(φ_m,θ_n),D_s2(φ_m,θ_n)]

其中D_s1(φ_m,θ_n)、D_s2(φ_m,θ_n)分别是两种极化入射信号在入射角度(φ_m,θ_n)的N阵元接收信号的输出，D_s(φ_m,θ_n)是一个N×2维矩阵，m＝1,2,…,91，n＝1,2,…,361。

步骤2：对所有阵元接收信号构成的接收信号矩阵X(t)，求协方差矩阵R＝XX^H；根据Re＝λe可得R的特征向量e和特征值λ，将λ依次排序得λ₁≥λ₂≥...≥λ_N，N为阵元个数，相应的特征向量为e₁≥e₂≥...≥e_N，因此噪声子空间U_N由e_k+1,e_k+2,...,e_N形成，k为入射信号个数，即：U_N＝span[e_k+1,e_k+2,...,e_N]，其中span(·)表示矩阵的列扩张空间；根据谱函数公式

构造一个辅助变量H(φ_m,θ_n)，其表达式为H(φ_m,θ_n)＝D_s ^H(φ_m,θ_n)U_N·U_N ^HD_s(φ_m,θ_n)；因此，来波信号可以表示为：

(i＝1,2,3,...,k)，k为入射信号个数；在此方法中，只需要在方位向和俯仰向来搜索谱峰，就可以得到来波信号的入射方向。

步骤3：根据极化参数降维估计算法的原理，在入射信号的(φ_i,θ_i)位置，矩阵H(φ_i,θ_i)存在秩亏损现象，即H(φ_i,θ_i)为奇异的Hermite矩阵，故

的广义最小特征值为零。因此，方位角φ_i和俯仰角θ_i上来波信号的极化矢量h(γ_i,η_i)和

的广义特征值为零时对应的特征向量存在比例关系，即：

其中

表示矩阵束的广义最小特征值对应的特征向量。根据极化辅助角γ和极化相位差η的定义，可以得到入射信号的极化参数的估计公式分别为：

和

利用本发明方法，采用图1和图2所示排布的8元共形圆阵对不同极化的入射信号进行测向，其中两个天线实测天线方向图如图4所示，其中(a)、(b)分别为1天线和2天线幅度。方向图中的偏航角α和仰角β定义如图5所示。

从天线方向图中可以看出，由于共形导致的极化接收、载体遮挡，以及天线互耦等影响，实测天线方向图已经十分不理想，如果按照理想方向图建模测向，会导致测向模型不匹配而发生测向精度下降甚至测向错误。

采用本发明提出的方法，在微波暗室中，对频率为3GHz的不同极化的入射信号进行测向，搜索步长为1度，测向结果如表1所示。

表1 3GHz不同极化的入射信号测向结果

极化方式	正确概率	测角精度°/σ
			水平极化	100％	0
垂直极化	100％	0
			45度斜极化	100％	0
135度斜极化	99.97％	1
			圆极化	99.03％	1

由上述测向结果可知，采用本发明方法可对不同极化方式入射的信号进行测向，在实际测向阵列存在极化接收、遮挡、天线互耦、位置误差等情况下，仍具有很高的测向正确率和测向精度。

除时域、频域和空域信息外，极化也是电磁波可利用的重要信息，反映了电磁波的矢量特性。所以得到入射信号的极化信息对改善现代雷达的检测、目标识别及抗干扰均具有重要意义。本发明提出极化相位干涉仪测向方法，利用不同极化入射信号来构造D_s矩阵，所述的测向方法准确率高，并且也可以应用于其他阵型和阵元数的天线阵列。

基于和上述方法实施例相同的技术构思，在另一实施例中，提供一种极化相位干涉仪测向装置，包括：

i＝1,2,3,…,k，式中φ为俯仰角，θ为方位角，下标i表示第i个入射信号，k为入射信号个数，(φ_m,θ_n)表示入射信号的入射角度，φ_m为第m计数的俯仰角方向，θ_n为第n计数的方位角方向；以及

极化参数求解模块，用于根据秩亏MUSIC方法求出入射信号的极化参数，极化参数具体表示为：

极化辅助角

以及

极化相位差

其中

根据本发明的另一实施例，提供一种计算机设备，包括：一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序被处理器执行时实现如上所述的极化相位干涉仪测向方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。