鲁棒成形极化敏感阵列波束的方法及极化估计.pdf

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1、航空学报Jun．252017VoI．38No．6ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000—6893CN11—1929／VhttD：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn鲁棒成形极化敏感阵列波束的方法及极化估计虞翔，李旦，张建秋*复旦大学电子工程系，上海200433摘要：基于极化敏感阵列，提出了一种鲁棒成形阵列波束的方法。该方法首先将阵列的数据模型进行了重新描述，从而获得了信号波达角(DOA)和极化解耦的模型。借助于该模型并对信号的两个极化方向分别进行鲁

2、棒约束，设计出了一个新的鲁棒空域波束空间成形矩阵，利用该矩阵可以获得信号两个极化分量的鲁棒估计。基于特征值分解的方法，最后给出了估计信号极化参数的方法。分析和数值仿真实验均表明：提出的方法，在对DOA估计误差以及阵列位置误差等造成的阵列失配具有较强鲁棒性的同时，也能有效抑制干扰和噪声，进而提升了极化参数估计的性能。关键词：阵列信号处理；极化估计；波束成形；鲁棒性；凸优化；特征值分解中图分类号：V243．4；TN911．7文献标识码：A文章编号：1000一6893(2017)06—320752一08极化作为电磁波信号的一个重要

3、特征，在无线通信、雷达等领域具有极大的应用价值口。7]。在无线通信领域中，利用极化信息可以提升系统的信道容量，还可以提高系统的抗干扰能力以改善通信质量[2’4]。在雷达信号处理中，利用信号的极化可以提高雷达对目标的检测能力、对杂波的抑制能力[}引、对目标波达角(DirectionofArrival，DOA)的分辨能力以及估计准确性[2’6。7

4、。目前，大多数DOA和极化参数联合估计的方法，主要侧重于对DOA估计方法的改进口_17]，期待以提高DOA参数的估计性能来改善极化参数的估计性能，而极化参数的估计大多还是沿用文献[12

5、，16]的方法。可是在一些应用场合中，人们更多关注的是极化参数的估计性能。例如，在利用极化参数调制的通信中，往往使用极化来携带信息口。4]，因此在存在其他干扰以及阵列失配等非理想情况下，尽可能地能够获得准确的极化参数估计，以便后续准确地解码所发送的信息是其关注的问题之一。众所周知，信号的DOA和极化参数是相互耦合于阵列导向矢量之中。为了避免高计算量的四维搜索，通常的措施是先估计DOA参数再估计极化参数[8．17]。由于极化参数的估计依赖于阵列响应矩阵，当DOA估计不准确或者阵列本身存在误差，如阵列位置误差、通道增益误差等时，

6、极化参数的估计精度很难满足应用中的要求。针对这一状况，文献[16]中有提到利用矢量传感器内部存在的旋转不变性来直接估计极化参数的方法。然而该方法需要对估计得到的极化参数和DOA参数进行配对，且为了进一步提高极化参数的估计性能，它仍需要使用估计的DOA来校正极化参数的估计，因此其在本质上其与一般的极化参数估计思路并不存在差异。本文从空间滤波的角度出发，通过对阵列输出数据的重新描述，获得了解耦DOA和极化参数的数据模型。借助于该模型，提出了以DOA作为参数来成形波束空间的算法，进而获取信号收稿日期：2016—09·05；退修日期

7、：2016-11—04；录用日期：2016—11—24；网络出版时间：2016—12．0816：10网络出版地址：www．cnnnet／kcms／detail／111929．V．20161208．1610．002．htmJ基金项目：国家自然科学基金(61571131)*通讯作者．E—mai

8、：jqzhang@fudan．ac．cn引角格武l奥翔．李旦t张建秋．鲁棒成形极化敏感阵勋波束的方法及极亿估计￡JI．航空学摄．2017．38(6)：320752．YUx．L

9、D．ZHANGJQ．Arobustbeam{ofmerwjth

10、aDo

11、arizationsens⋯vearrayana。o

12、arIzal

13、onestimation[∞．AdaAeronauticaetAstm—naullcas{nica，2017．38(6)：320752．航空学报两维极化信息。同时考虑到阵列响应可能存在的失配情况，给出了通过增加约束来提升波束空间滤波器鲁棒性的方法。最后基于特征值分解提出了极化参数估计的方法。分析和仿真实验均表明，本文提出的方法可以有效地提升在非理想条件下极化参数的估计性能。1数据模型如图1所示，由M个极化敏感天线以半波长间距d—A／2均匀放置在y轴的

14、线阵。当远场窄带信号以波达角(臼，声)入射时，信号的传播方向矢量为P，=[sin臼cos≠sin臼sin≯cos臼]T，‰一[一sin乒cos庐O]T为电场水平极化方向矢量，e。一厂cos口cos声cos口sin声一sin曰]T为电场垂直极化方向矢量，其中口∈[o，兀]为俯仰角，95∈[o