极化敏感阵列的极化-空间域谱估计算法研究

摘要

基于空间谱估计技术的被动雷达测向系统可以同时探测估计出多个辐射信号的DOA信息，在电子侦查和电子对抗领域有着重要的应用前景，受到学者们及工程技术人员的广泛关注。近年来，多模复合制导体制成为精确制导武器的重要发展方向之一，为了使被动测向系统的天线阵列与其他制导模式的探测传感器能够兼容，将极化敏感阵列引入被动测向系统，从而将传统的基于标量阵列的被动测向系统演变为基于极化敏感阵列的被动测向系统。极化敏感阵列同时对入射电磁波的空域信息和极化信息进行观测，可以有效提高测向系统的整体性能。目前，应用于实际被动测向系统的极化敏感阵列中，比较有代表性的为单偶极子极化敏感均匀圆阵与正交偶极子对极化敏感均匀圆阵。因此，本文围绕实际工程应用中所面临的问题，对基于以上两种常见极化敏感阵列的极化-空间域谱估计算法进行研究。主要研究内容如下： 1.基于单偶极子极化敏感阵列的去特征信源数估计算法：准确的信源数估计是基于子空间原理的极化-空间域谱估计技术实现精确测向的前提，但在实测系统中，由于阵列接收噪声的影响，使信源数的估计成功概率降低。针对这一问题，在接收阵列为单偶极子极化敏感阵列的情况下，提出了一种适用于色噪声环境下的信源数估计方法，即基于单偶极子极化敏感阵列的去特征处理信源数估计方算法，该方法利用去特征处理扩大了与信号子空间对应的协方差矩阵和与噪声子空间对应的协方差矩阵之间的差别，计算两类协方差矩阵在完整空间的投影，并根据投影结果构造判据函数，进而实现信源数的估计。计算机仿验证了算法的有效性。 2.基于正交偶极子对极化敏感阵列的去特征信源数估计算法：为了提高基于正交偶极子对极化敏感阵列信源数估计算法的性能，对基于正交偶极子对极化敏感阵列的信源数估计算法进行研究。利用正交偶极子对极化敏感阵列接收数据的维度特性，提出了一种利用正交偶极子对极化敏感阵列接收数据维度特性的去特征信源数估计算法。该算法将去特征处理信源数估计方法应用于正交偶极子对极化敏感阵列，结合正交偶极子对极化敏感阵列接收数据的维度特性，利用部分噪声子空间构造投影矩阵，分别求取新构造的协方差矩阵在投影矩阵上的投影，并重新构造判决函数，进而实现信源数估计。该方法将基于去特征处理的信源数估计方法进行改进，降低了基于去特征处理的信源数估计算法应用于正交偶极子对极化敏感阵列的算法复杂度，充分利用了正交偶极子对极化敏感阵列自身的特性，相当于增加了算法可利用的信息量。理论分析证明了该算法可以有效降低运算复杂度，计算机仿真实验验证了算法的有效性。 3.基于单偶极子极化敏感均匀圆阵的半区间搜索MUSIC算法：单偶极子极化敏感阵列以矢量的形式对空间辐射信号进行接收，再将接收后的矢量信号按照各阵元的天线指向角进行合成，从而使不同天线指向角的阵元的接收相位中由于极化接收产生的附加相位不同，这改变了被动测向系统中各阵元间的相位差信息，使原有的基于标量阵列的空间谱估计技术性能下降甚至失效。针对这一问题，对实际工程应用的极化敏感阵列进行数学建模，得到基于单偶极子极化敏感阵列的被动测向模型，通过理论推导及计算机仿真对其阵元间的相位差进行了分析，得到极化接收和阵元摆放对阵元间相位差的影响，利用相位差在方位角维度上的对称性，构造新的谱函数，提出半区间搜索 MUSIC算法。该算法通过对四维空间的一半空间进行搜索，再对搜索结果对应的所有备选目标信息进行真实性判断，从实现入射信号DOA与极化参数的联合估计，与传统四维搜索算法相比，降低了一半的运算量。最后通过计算机仿真对比实验验证了所提算法的有效性。 4.基于正交偶极子对极化敏感均匀圆阵的四阶累积量 ESPRIT算法：针对基于正交偶极子对极化敏感均匀圆阵的LV-MUSIC算法运算量大的问题，提出一种基于四阶累积量的ESPRIT算法。该方法利用四阶累积量的虚拟阵列扩展特性，对正交偶极子对极化敏感均匀圆阵进行阵列扩展，在扩展得到的虚拟阵列中构造出具有旋转不变关系的子阵对，进而利用ESPRIT算法实现入射信号的DOA与极化参数的联合估计。该方法不需要进行谱函数的计算及四维空间谱搜索，极大的降低了基于正交偶极子对极化敏感均匀圆阵的极化-空间域谱估计算法的计算量。计算机仿真实验验证了算法的有效性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 论文的研究目的及意义

1.3 论文相关的国内外研究现状

1.4 主要研究内容及章节安排

第2章 极化敏感阵列与极化-空间域谱估计算法理论基础

2.1 引言

2.2 信号假设条件

2.3 极化敏感阵列信号处理理论基础

2.4 典型极化-空间域谱估计算法

2.5 本章小结

第3章 特定极化敏感阵列的信源数估计

3.1 引言

3.2 阵列信号模型

3.3 传统信源数估计算法

3.4 基于单偶极子极化敏感阵列的去特征处理信源数估计方法

3.5 基于双正交偶极子对极化敏感阵列特性的去特征信源数估计方法

3.6 本章小结

第4章 单偶极子极化敏感均匀圆阵的DOA与极化参数联合估计

4.1 引言

4.2 数学模型

4.3 单偶极子极化敏感阵列接收数据相位分析

4.4 单偶极子极化敏感均匀圆阵的半区间搜索MUSIC算法

4.5 仿真实验分析

4.6 本章小结

第5章 正交偶极子对极化敏感均匀圆阵的DOA与极化参数联合估计

5.1 引言

5.2 信号模型

5.3 四阶累积量的虚拟阵列扩展特性

5.4 正交偶极子对极化敏感均匀圆阵的四阶累积量ESPRIT算法

5.5 仿真实验分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢