基于嵌套式电磁矢量传感器阵列的波达方向估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于嵌套式电磁矢量传感器阵列的波达方向估计方法，主要解决现有技术中电磁矢量传感器阵列的各个电磁分量之间互耦较严重和电磁矢量传感器阵列硬件实现复杂的问题。其实现过程是：构造嵌套式电磁矢量传感器阵列；利用ESPRIT算法得到目标方向余弦的有模糊估计值；对目标方向余弦的有模糊估计值进行配对；利用单个分离式电磁矢量传感器的矢量叉积算法得到目标方向余弦的无模糊估计值；对目标方向余弦的有模糊估计值进行解模糊，并做三角运算，得到空间目标的二维波达方向估计值。本发明专利技术降低了各个电磁分量之间的互耦和硬件实现的复杂度，扩展了整个阵列的孔径，提高了测角精度，可用于雷达对目标的角度定位。

【技术实现步骤摘要】
基于嵌套式电磁矢量传感器阵列的波达方向估计方法
本专利技术属于信号处理
，特别涉及一种波达方向估计方法，可用于雷达对目标的角度定位。
技术介绍
电磁矢量传感器阵列雷达是为适应现代战争而被提出的一种极具潜力的新体制雷达。与常规阵列相比，电磁矢量传感器阵列能感知入射波在不同方向上的电磁分量，从而提取更多的信息如极化等，且极化域信息与空域信息相结合，可进一步改善信号多维参数估计和信号检测的性能。故近几十年来，基于电磁矢量传感器阵列的目标空间角度估计受到了人们的广泛关注。由相位中心重合的三个正交电偶极子和三个正交磁环组成的电磁矢量传感器可以测量入射信号的三维电场分量和三维磁场分量，称为共点式电磁矢量传感器。对于这种共点式电磁矢量传感器，K.T.Wong教授提出了一种针对该电磁矢量传感器的新的DOA估计方法——矢量叉积算法，该方法可不涉及频域信息和天线之间的相位差，从而用于窄带和宽带信号的DOA估计。但这种相位中心重合的共点式电磁矢量传感器需要各个电磁分量之间具有很严格的电磁隔离，这在硬件中并不容易实现。为此，分离式电磁矢量传感器被提出，将各分量在空间上分隔一段距离，以降低各分量的互耦和硬件实现的复杂性。但由于分离式电磁矢量传感器的各个分量在空间上被分开，引入了相移因子，故无法直接使用矢量叉积算法进行目标DOA估计。2011年，K.T.Wong教授提出了一种基于平行线结构的分离式电磁矢量传感器，成功实现了矢量叉积DOA估计算法在分离式电磁矢量传感器中的应用，但该方法对阵元位置要求相对较严格，且该方法只讨论了矢量叉积算法在单个分离式电磁矢量传感器的情况，并未讨论其在阵列中的应用情况。由于阵列测角精度与阵列孔径成正比，对于一般的均匀线阵ULA，阵元间距不大于λ/2，所以阵列孔径受到一定的限制。对此，P.P.Vaidyanathan提出了嵌套式阵列，该嵌套式阵列是由两个或多个具有不同阵元间距的均匀线性子阵构成，且除第一子阵外的其他子阵阵元间距都远大于λ/2，各个阵列单元之间的互耦较小，并在相同阵列单元个数的情况下，阵列孔径要大于均匀线阵ULA，测角精度也要更高。但之前的研究集中在阵列单元是单个极化天线的情况，收集的电磁信息并不完整，且未讨论过将分离式电磁矢量传感器作为嵌套式阵列的天线单元的情况。2014年，KeyongHan提出了一种将共点式电磁矢量传感器与均匀线阵ULA结合的阵列，利用张量的方法实现了对目标DOA的估计，但由于该阵列的阵列单元是共点式电磁矢量传感器，电磁矢量传感器各分量之间的互耦较大，而且受到均匀线阵本身的阵列孔径和阵元间距不大于λ/2的影响，各个电磁矢量传感器之间的互耦严重影响了目标DOA的估计性能，另外，该方法利用张量估计目标的DOA，计算量相对较大。综上，无论单个分离式电磁矢量传感器还是嵌套式阵列都可以正确估计目标的波达方向，但都具有一定的局限性，而将电磁矢量传感器运用于普通形式的阵列则又由于受到电磁矢量传感器各分量之间的互耦和各个电磁矢量传感器之间的互耦的影响，引起目标波达方向的估计精度下降。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术的不足，提出一种及基于嵌套式电磁矢量传感器阵列的波达方向估计方法，以降低电磁矢量传感器之间的互耦，提高目标波达方向的估计精度。为实现上述目的，本专利技术根据电磁矢量传感器和嵌套式阵列各自的优势，将两者进行结合，其技术方案如下：1)构造嵌套式电磁矢量传感器阵列：给定阵列单元个数N，将前n1个阵列单元以D为阵元间距沿某方向设置，得到均匀线阵ULA作为嵌套式电磁矢量传感器阵列的第一子阵C1，后n2个阵列单元以mD为阵元间距沿相同方向设置，得到均匀线阵ULA作为嵌套式电磁矢量传感器阵列的第二子阵C2，其中，m＝n1+1，且有n1+n2＝N，每个阵列单元都放置一个分离式电磁矢量传感器，得到嵌套式电磁矢量传感器阵列A，D大于λ/2，λ为电磁波波长；2)将嵌套式电磁矢量传感器阵列的接收数据X(t)按第一子阵C1和第二子阵C2分为X1(t)和X2(t)两部分；3)对两部分接收数据X1(t)和X2(t)分别用旋转不变子空间ESPRIT算法估计出两组有模糊的目标y轴方向余弦估计值和以及该两组估计值分别对应的信号子空间Es1和Es2，其中K是目标个数；4)对3)中估计出的两组目标y轴方向余弦估计值和进行配对，并根据配对顺序对与估计值对应的信号子空间Es1和Es2进行匹配，得到嵌套式电磁矢量传感器阵列的阵列流型矩阵的估计值；5)对阵列流型矩阵的估计值中除参考阵列单元外的其余阵列单元的导向矢量进行相位补偿，并把补偿后的其余阵列单元的导向矢量合成到参考阵列单元处的分离式电磁矢量传感器的导向矢量上，得到合成后的参考阵列单元处的分离式电磁矢量传感器的导向矢量；6)利用步骤5)中得到的合成后参考阵列单元处的分离式电磁矢量传感器的导向矢量，通过矢量叉积算法得到一组精度较低但无模糊的目标y轴方向余弦估计值和一组x轴方向余弦估计值及两组有模糊的目标x轴方向余弦估计值和7)对步骤4)得到两组有模糊的目标y轴方向余弦估计值和步骤6)得到两组有模糊的目标x轴方向余弦估计值进行解模糊，得到一组无模糊的目标x轴方向余弦高精度估计值和一组无模糊的目标y轴方向余弦高精度估计值8)对无模糊的目标x轴方向余弦高精度估计值和无模糊的目标y轴方向余弦高精度估计值做三角运算，得到目标的二维空间波达方向信息其中是第l个目标的方位角估计值，是第l个目标的俯仰角估计值。本专利技术与现有阵列结构和现有算法相比具有以下优点：1)与均匀线阵相比，本专利技术所述阵列的阵列单元的排布方式采用嵌套式阵列的结构，在同样阵列单元数的情况下拥有更大的阵列孔径，阵列的测角精度更高；2)与普通的电磁矢量传感器阵列相比，本专利技术所述阵列的每个阵列单元都是一个分离式电磁矢量传感器，而且阵列单元之间的间距更大，降低了接收信号中电磁分量之间的互耦和电磁矢量传感器本身硬件的复杂性；3)与现有的电磁矢量传感器阵列的算法相比，本专利技术在保持了可利用每个阵列单元的所有电磁信息和可同时估计多个目标的特点的基础上，降低了运算量和复杂度。附图说明图1是本专利技术的实现流程图；图2是本专利技术中单个分离式电磁矢量传感器的几何结构示意图；图3是本专利技术中的阵列配置结构示意图；图4是用本专利技术对目标二维波达方向角度进行一次估计的仿真结果示意图；图5是本专利技术中对不同方向余弦估计值的均方根误差与信噪比关系比较图；图6是对本专利技术所述阵列和两个均匀线性电磁矢量传感器阵列的目标二维波达方向角度估计值的均方根误差与信噪比关系比较图，其中两个均匀线性电磁矢量传感器阵列的阵列单元个数与本专利技术所述阵列相同，阵列单元间距分别为D和mD；图7是对本专利技术所述阵列和两个均匀线性电磁矢量传感器阵列的目标二维波达方向角度估计值的均方根误差与快拍数关系比较图，其中两个均匀线性电磁矢量传感器阵列的阵列单元个数与本专利技术所述阵列相同，阵列单元间距分别为D和mD；图8是对本专利技术所述阵列和两个均匀线性电磁矢量传感器阵列的目标二维波达方向角度估计值的均方根误差与第一子阵C1的阵元间距关系比较图，其中两个均匀线性电磁矢量传感器阵列的阵列单元个数与本专利技术所述阵列相同，阵列单元间距分别为D和mD。具体实施方式以下参照附图对本专利技术的实施过程和效果作进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于嵌套式电磁矢量传感器阵列的波达方向估计方法，包括：1)构造嵌套式电磁矢量传感器阵列：给定阵列单元个数N，将前n1个阵列单元以D为阵元间距沿某方向设置，得到均匀线阵ULA作为嵌套式电磁矢量传感器阵列的第一子阵C1，后n2个阵列单元以mD为阵元间距沿相同方向设置，得到均匀线阵ULA作为嵌套式电磁矢量传感器阵列的第二子阵C2，其中，m＝n1+1，且有n1+n2＝N，每个阵列单元都放置一个分离式电磁矢量传感器，得到嵌套式电磁矢量传感器阵列A，D大于λ/2，λ为电磁波波长；2)将嵌套式电磁矢量传感器阵列的接收数据X(t)按第一子阵C1和第二子阵C2分为X1(t)和X2(t)两部分；3)对两部分接收数据X1(t)和X2(t)分别用旋转不变子空间ESPRIT算法估计出两组有模糊的目标y轴方向余弦估计值

【技术特征摘要】
1.一种基于嵌套式电磁矢量传感器阵列的波达方向估计方法，包括：1)构造嵌套式电磁矢量传感器阵列：给定阵列单元个数N，将前n1个阵列单元以D为阵元间距沿某方向设置，得到均匀线阵ULA作为嵌套式电磁矢量传感器阵列的第一子阵C1，后n2个阵列单元以mD为阵元间距沿相同方向设置，得到均匀线阵ULA作为嵌套式电磁矢量传感器阵列的第二子阵C2，其中，m＝n1+1，且有n1+n2＝N，每个阵列单元都放置一个分离式电磁矢量传感器，得到嵌套式电磁矢量传感器阵列A，D大于λ/2，λ为电磁波波长；2)将嵌套式电磁矢量传感器阵列的接收数据X(t)按第一子阵C1和第二子阵C2分为X1(t)和X2(t)两部分；3)对两部分接收数据X1(t)和X2(t)分别用旋转不变子空间ESPRIT算法估计出两组有模糊的目标y轴方向余弦估计值和以及该两组估计值分别对应的信号子空间Es1和Es2，其中K是目标个数；4)对步骤3)中估计出的两组目标y轴方向余弦估计值和进行配对，并根据配对顺序对与估计值对应的信号子空间Es1和Es2进行匹配，得到嵌套式电磁矢量传感器阵列的阵列流型矩阵的估计值；5)对步骤4)中得到的阵列流型矩阵的估计值中除参考阵列单元外的其余阵列单元的导向矢量进行相位补偿，并把补偿后除参考阵列单元外的其余阵列单元的导向矢量合成到参考阵列单元处的分离式电磁矢量传感器的导向矢量上，得到合成后的参考阵列单元处的分离式电磁矢量传感器的导向矢量；6)利用步骤5)中得到的合成后参考阵列单元处的分离式电磁矢量传感器的导向矢量，通过矢量叉积算法得到一组精度较低但无模糊的目标y轴方向余弦估计值和一组x轴方向余弦估计值及两组有模糊的目标x轴方向余弦估计值和7)对步骤4)得到的配对完成的两组有模糊的目标y轴方向余弦估计值和步骤6)得到的两组有模糊的目标x轴方向余弦估计值进行解模糊，得到一组无模糊的目标x轴方向余弦高精度估计值和一组无模糊的目标y轴方向余弦高精度估计值8)对无模糊的目标x轴方向余弦高精度估计值和无模糊的目标y轴方向余弦高精度估计值做三角运算，得到目标的二维空间波达方向信息其中是第l个目标的方位角估计值，是第l个目标的俯仰角估计值。2.根据权利要求1中所述的方法，其中步骤3)中对两部分接收数据X1(t)和X2(t)分别用旋转不变子空间ESPRIT算法估计出两组有模糊的目标y轴方向余弦估计值和按如下步骤进行：3a)根据第一子阵C1接收数据X1(t)和第二子阵C2的接收数据X2(t)，分别计算这两组接收数据的协方差矩阵和其中，X1(t)＝[X1(t1),X1(t2),...X1(ti)...,X1(tL)]，X2(t)＝[X2(t1),X2(t2),...X2(ti)...,X2(tL)]，i＝1,2,...L，L是快拍数，；3b)分别对3a)中得到的协方差矩阵和做特征值分解，并分别取特征值中最大的K个特征值所对应的特征矢量组成第一子阵C1的信号子空间矩阵Es1和第二子阵C2的信号子空间矩阵Es2；3c)根据3b)中得到的第一子阵C1的信号子空间Es1，分离出前n1-1个阵列单元对应的信号子空间矩阵Es1,1和后n1-1个阵列单元对应的信号子空间矩阵Es1,2，根据旋转不变子空间ESPRIT算法得出Es1,1与Es1,2的如下关系式：其中，是第一中间变量，为第一子阵C1的旋转不变因子矩阵，vl为第l个目标的y轴方向余弦真实值，l＝1,2,...,K，j为虚数单位，diag[·]表示以向量中的元素为对角线元素构造方阵，T1是与第一子阵C1的旋转不变因子矩阵对应的唯一的非奇异矩阵；3d)利用总体最小二乘法，求解3c)中的关系式得到对进行特征值分解，其特征值就是的对角线元素，并根据D＞λ/2的条件，得到一组较高精度且存在周期性模糊的目标y轴方向余弦估计值：3e)根据3b)中得到的第二子阵C2的信号子空间Es2，分离出前n2-1个阵列单元对应的信号子空间矩阵Es2,1和后n2-1个阵列单元对应的信号子空间矩阵Es2,2，根据旋转不变子空间ESPRIT算法得出Es2,1与Es2,2的如下关系式：其中，是第二中间变量，为第二子阵C2的旋转不变因子矩阵，T2是与第二子阵C2的旋转不变因子矩阵对应的唯一的非奇异矩阵；3f)利用总体最小二乘法，求解3e)中的关系式得到对进行特征值分解，其特征值就是的对角线元素，并根据mD＞D＞λ/2的条件，得到一组更高精度且存在周期性模糊的目标y轴方向余弦估计值：3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤4)中对两组目标y轴方向余弦估计值和进行配对，按如下规则进行：4a)根据第一子阵C1的旋转不变因子矩阵的对角线元素中的第l个目标在第一子阵C1处因阵列单元之间的间距D而产生的相位差估计出的第l个目标的y轴方向余弦的估计值为其中中各目标序号的排列顺序与的对角线元素中各目标序号的排列顺序相同；4b)根据第二子阵C2的旋转不变因子矩阵的对角线元素中的第l个目标在第二子阵C2中因阵列单元之间的间距mD而产生的相位差估计出的第l个目标的y轴方向余弦的估计值为其中中各目标序号的排列顺序与的对角线元素中各目标序号的排列顺序相同；4c)按如下规则对的对角线元素和的对角线元素的进行配对：4c1)设一个目标在第一子阵C1处因阵列单元间距D而产生的真实相位差为Λ1＝2g1π+φ1，其中φ1为Λ1实际可以测量到的相位差，g1为Λ1与φ1之间相差的周期模糊数；4c2)设该目标在第二子阵C2处因阵列单元间距mD而产生的真实相位差为Λ2＝2g2π+φ2，φ2为Λ2实际可以测量到的相位差，g2为Λ2与φ2之间相差的周期模糊数；4c3)根据第二子阵C2的阵列单元间距mD和第一子阵C1的阵列单元间距D的m倍关系，得到mΛ1＝Λ2的关系式，由此关系式得到如下方程：m×(2g1π+φ1)＝2g2π+φ2对该方程进行变形，得到如下变形后的关系式：mφ1＝2π(g2-mg1)+φ2根据变形后的关系式和指数函数的性质，得到如下关系式：

【专利技术属性】
技术研发人员：杨明磊，陈伯孝，丁进，孙磊，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，西安中电科西电科大雷达技术协同创新研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61