基于极化敏感阵列的稀疏阵形优化与参数估计

摘要

近年来，诸多电磁设备带来便利的同时也使得电磁环境逐渐复杂，对各领域，如电侦、导航和雷达等，提出了新的更大的挑战——如何在复杂的电磁环境中准确的对目标参数进行估计。传统的标量天线仅能获取目标信号的幅度、相位和频率等信息，而无法对信号的极化信息进行利用，人们开始关注“极化敏感”阵列，该阵列能够获取和有效利用目标信号的极化信息，对提高信号处理的性能大有裨益。
　　传统的阵列信号处理大多基于半波长布阵的均匀阵列，为了能够在实际工程中利用尽可能少的阵元数实现所要求的辐射性能，本文对以半波长布阵的均匀密布阵进行优化，将天线阵列的增益作为优化代价函数，固定密布阵孔径，利用模拟退火算法对阵形分布进行优化，保证优化后的阵列能够以尽量少的阵元数来满足工程中对阵列高增益要求的同时降低副瓣电平。
　　工程应用中由于阵列的高动态或目标的快速运动导致平稳样本数不足，子空间类算法无法准确估计协方差矩阵，导致算法性能下降甚至失效；由于环境反射所引起的多径延迟波与目标信号直达波相干，使得子空间类算法不再有效。针对此类问题，人们研究了稀疏恢复方法，现有技术的稀疏恢复方法由于栅格太密造成字典矩阵列与列之间相关性太高导致稀疏恢复性能下降而无法准确进行参数估计,且计算复杂度较高。
　　针对上述所存在的各类问题，本文提出了栅格偏移优化稀疏恢复角度估计方法，该方法对阵列接收数据进行阵元去噪处理来构建数据观测矢量，将信源数进行动态递增来估计信源数，利用硬门限参数化反馈零空间调整获得第一次目标到达角估计矢量和恢复矢量，根据恢复矢量来寻找峰值位置矢量，计算定义为多目标峰值功率和与其它栅格功率和之比的代价函数，比较计算获得的三种代价函数大小进而确定待更新的栅格偏移参数，迭代提升多目标到达角的估计精度。仿真结果表明，所提方法对均匀阵和稀疏阵均适用，能够在小样本情况下对相干源/非相干源进行参数估计。
　　本文首先基于单极子阵列利用上述所提方法估计出目标的来波方向，其次应用加权融合来提高目标空间角度的估计精度，最后选取共中心的单电偶极子和单磁环对目标信号的极化参数进行估计。
　　总之，相比传统的参数估计方法，本文所提出的方法能够在小样本、相干源情况下结合极化敏感阵列获得较好的参数估计性能。

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缩略语对照表

第一章绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要工作及内容安排

第二章极化敏感阵列信号处理基础

2.1 引言

2.2 极化电磁波

2.3 极化敏感阵列信号处理基础

2.4 传统的极化—空域参数估计方法

2.5 本章小结

第三章稀疏线阵的阵形优化

3.1 引言

3.2 空间增益

3.3 基于粒子群算法的稀疏阵形优化

3.4 基于模拟退火算法的稀疏阵形优化

3.5 本章小结

第四章基于稀疏恢复的极化—空域参数估计

4.1 引言

4.2 稀疏信号表示

4.3 零空间调整的理论知识

4.4 栅格偏移优化稀疏恢复角度估计

4.5 极化敏感阵列角度估计性能提升的加权融合

4.6 基于单电偶极子和单磁环的极化参数估计

4.7 本章小结

第五章总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

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