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专利号: 2020115781396
申请人: 杭州电子科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于零化插值的互质阵部分极化信号参数估计方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:

步骤一、放置互质阵列

在直角坐标系中沿y轴放置M个阵元,并按照互质阵列形式进行排布;各个阵元的位置T

从小到大依次构成列向量ζ=[γ1,γ2,...γM]d=γd,d为阵元间间距;

步骤二、构建信号接收模型并采样T

记K个窄带不相关信号由θ=[θ1,θ2,...,θK]方向从y‑z平面入射到互质阵列上,θ表示以逆时针方向从y轴正半轴到各个入射信号方向的夹角;每个阵元由x方向极化和y方向极化的交叉极化天线构成;第m个交叉极化天线在t时刻的接收信号 为:其中,Dk=diag([‑1,sinθk])为第k个信号的交叉极化响应矩阵,am(θk)=exp[j(2πγmdcosθk)/λ]为第k个信号在第m个交叉极化天线处的响应, λ为信号波长;sk(t)=T

[sk,1(t),sk,2(t)] 为第k个部分极化信号,由水平和垂直分量构成,nm(t)=[nm,x(t),nm,yT

(t)]表示第m个阵元2路输出的零均值高斯白噪声,噪声和信号间相互独立;diag(·)表示T

以向量元素作为对角线元素构成对角矩阵,(·) 表示转置操作,T表示采样的快拍数;

部分极化信号sk(t)的协方差矩阵 为:H

其中,I2表示2阶单位矩阵,(·) 表示取共轭转置,(·)*表示取共轭,E(·)表示求期望;rk,11、rk,22分别代表第k个信号水平和垂直方向的功率,rk,12为第k个信号两个极化分量T

的相关系数; W(βk)=[cosβk jsinβk] ,αk、βk分别代表第k个信号的极化指向角和极化椭圆率角,且‑π/2<αk≤π/2,‑π/4≤βk≤π/4; 和 分别为第k个信号的随机极化功率和完全极化功率,信号的极化度表示为 ρk∈[0,

1];

t时刻所有的交叉极化天线阵元接收到的信号 为:x(t)=As(t)+n(t),t=1,2,...,T其中, 为阵列流型矩阵,a(θk)=[a1T

(θk),…,aM(θk)] ; 表示Kronecker积;

步骤三、构建不重复的虚拟阵列输出及其模型噪声协方差矩阵将步骤二得到的t时刻所有的交叉极化天线阵元接收到的信号按x方向输出和y方向输出分离得到:

其中,IL表示L阶单位矩阵;

x方向输出和y方向输出的估计协方差矩阵分别为:将 和 两个估计协方差矩阵相加并向量化得到所有虚拟阵列的输出:其中,vec(·)表示将矩阵按列向量化;

定义 1M表示所有元素都为1的M行列向量,去掉γv中所有重复元素并按从小到大顺序排列,得到新的列向量γ′v,γ′v的长度M′为奇数,且γ′v的元素不连续,即存在孔洞;

计算转换矩阵

其中,Cp,q表示C的第p行第q列,[·]p表示取向量的第p个元素;δp,q为Kronecker Delta函数,只有当p=q时,δp,q=1,否则δp,q=0;

则不重复的虚拟阵列输出估计为:所有虚拟阵列的输出 的渐进理论值为:2

其中,pk=rk,11+(sinθk)rk,22, 为噪声功率,i=vec(IL);

z与 因有限快拍而存在误差△z, 且该误差△z满足以下分布:2

其中 表示均值为μ,方差为σ的渐进复正态分布;

阵元不重复的虚拟阵列模型噪声ε=C△z的协方差矩阵 为:步骤四、初始化内插输出信号定义Mv=max(γ′v),其中max(·)表示取向量中的最大元素;

令插值后的连续虚拟阵列输出为:对应的模型噪声协方差矩阵为:将i从‑Mv遍历到Mv,当i∈γ′v时,设i为γ′v的第i′个元素,则令 ΣI[:,i]=Σ[:,i′],ΣI[i,:]=Σ[i′,:],否则,令zI[i]=0,ΣI[:,i]=0,ΣI[i,:]=0;其中zI[i]表示zI的第i个元素,ΣI[:,i]表示ΣI的第i列,ΣI[i,:]表示ΣI的第i行;

步骤五、初始化迭代变量

‑6

设置迭代计数变量n=1,最大迭代次数N=100,迭代终止阈值ξ=10 ,阵列噪声方差对应于插值后的连续虚拟阵列输出zI的噪声模型 和零化系数 的初始化通过对矩阵L(zI)利用类TLS‑ESPTRIT方法获得:其中, 为Toeplitz化算子;

步骤六、求解线性等式约束的最小二乘其中||·||2表示向量的2范数,为r关于η,h, 的雅可比矩阵, 为除了正中间元素为1其余全部为0的列向量,ω为第一个元素为1其余元素为0的列向量;

其中, 为另一种Toeplitz化算子;

在每次迭代完成后得到差分量△η,△h, 利用η=η+△η,h=h+△h,来更新η,h, 变量;当零化系数足够收敛或达到最大迭代次数时,完成迭代计算;若两个条件都不满足则设置迭代计数变量n=n+1,重新进行步骤六,直到满足其中任意一个条件为n

止;零化系数的收敛条件表示为 其中h表示第n次迭代时的零化系数;

步骤七、估计信号的波达方向完成迭代计算后,得到零化滤波器系数 根据系数 求解多项式方程的K个根;

设K个根组成向量 则K个窄带不相关信号的波达方向为:其中angle(·)为求复数的幅角操作,acos(·)表示求反余弦;

步骤八、估计信号的极化参数s8.1、利用步骤七估计的波达方向 重构各个部分极化信号协方差矩阵s8.2、对重构后的部分极化信号的协方差矩阵进行特征分解,得到两个特征值bk,1和bk,2,且bk,1>bk,2,对应的特征向量分别为gk,1,gk,2,估计的信号极化度为:H

s8.3、求解复数二元一次方程(Q(αk)W(βk)) gk,2=0,得到信号的极化指向角αk和极化椭圆率角βk。

2.如权利要求1所述一种基于零化插值的互质阵部分极化信号参数估计方法,其特征在于:所述互质阵列为原型互质阵或扩展互质阵列。

3.如权利要求1所述一种基于零化插值的互质阵部分极化信号参数估计方法,其特征在于:设置阵元间间距d=λ/2。

4.如权利要求1所述一种基于零化插值的互质阵部分极化信号参数估计方法,其特征在于:步骤8.1中重构各个部分极化信号协方差矩阵的方法为:计算 然后分别计算

其中(./)表示按元素相除,即点除,为求伪逆,协方差矩阵重构公式为:

5.如权利要求1所述一种基于零化插值的互质阵部分极化信号参数估计方法,其特征在于:步骤8.1中重构各个部分极化信号协方差矩阵的方法为:求解

其中 再利用最小二乘重构各信号的协方差矩阵,重构公式为:

其中,